CH632786A5

CH632786A5 - Process for separating off bacterial cell masses from aqueous culture media

Info

Publication number: CH632786A5
Application number: CH1233877A
Authority: CH
Inventors: Joachim Walter D Birckenstaedt; Arnold Grosse; Reinhold Seipenbusch
Original assignee: Veba Chemie Ag
Priority date: 1977-10-10
Filing date: 1977-10-10
Publication date: 1982-10-29

Description

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Gewinnung von Bakterienzellmasse aus diese enthaltenden wässrigen Kulturlösungen, dadurch gekennzeichnet, dass diese bzw. daraus gebildete Agglomerate durch Flotation mit Hilfe elektrolytisch erzeugter Gasbläschen konzentriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Lauge/Säurebehandlung erzeugten Zellagglomeraten wässrige Lösungen hochmolekularer langkettiger Naturstoffe, insbesondere von Alginaten oder Stärken, zugesetzt werden.

3. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flotation von Bakterienzellmasse bzw. daraus gebildeten Agglomeraten in zwei oder mehreren voneinander durch Trennwände getrennten Flotationskammern durchgeführt wird, in denen abgestufte Trägergasmengen aus naszierendem O2 und H2 angewendet werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Bakterienzellmassen aus diese enthaltenden wässrigen Kulturlösungen.

Die Abtrennung von Bakterienzellmasse aus einer sie enthaltenden Kulturlösung ist ein schwieriges und aufwendiges Problem. Bakterienzellen sind sehr klein, 0,8-1,5 Fm, und sie sind in sehr niedriger Konzentration von 0,5- 5 Gew.-% in der Kulturbrühe enthalten. Ausserdem sind sie vielfach mit einem Schleimschleier umgeben, so dass die im Schwerefeld ausnutzbare Dichtedifferenz sehr klein ist.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um Bakterienzellen aus Suspensionen abzutrennen. Es wurde z.B. vorgeschlagen, durch gezielte Variation des pH-Wertes z.T.

gleichzeitig oder alternativ durch die Einwirkung höherer Temperaturen die Suspension zum Ausfiocken zu bringen, um dann das ausgeflockte Zellmaterial in bekannter Weise entweder direkt mit Hilfe eines Separators oder nach Vorkonzentrierung im Schwerefeld durch einen Separator weiterzukonzentrieren.

Diese Trennverfahren haben folgende Nachteile:
1. Die erzeugten Flocken erweisen sich vielfach als sehr lose und voluminös. Das Volumen an wässrigem Nährmedium, das von den Flocken festgehalten wird, ist gross, so dass die Dichtedifferenz zwischen Flocke und Suspension sehr gering ist. Die Sedimentation im Schwerefeld führt daher nur zu einer mässigen Konzentrierung, da die Komprimierung des Feststoffes im Sediment nur unvollkommen gelingt.

Wegen der niedrigen Sinkgeschwindigkeit der voluminösen Flocken wird die Aufenthaltszeit im Absetzbecken so gross, dass das Zellmaterial beginnt in Lysis überzugehen,
2. die Abtrennung von ausgeflockter Bakterienzellmasse im Separator führt zwar, wenn auf schonenden Einlauf geachtet wird, zu einer mässigen Anreicherung, jedoch sind die erreichbaren Durchsätze so gering, dass es unmöglich ist, diese Trennstufe auf wirtschaftliche Weise durchzuführen.

Wegen der wolkigen Konsistenz der Flocke kommt es bei mässigen Durchsätzen bereits zu einer Überladung der Schlammkammer und damit zu einem Rückstau in dem Klärteil der Maschine mit entsprechend negativer Auswirkung auf die Trennschärfe.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vorkonzentrierung von Bakterienzellen zu entwickeln, das diese genannten Nachteile vermeidet und die Durchführbarkeit des Gesamtprozesses auf wirtschaftliche Weise ermöglicht.

Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe besteht in dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren zur Gewinnung von Bakterienzellmasse.

Es wurde gefunden, dass sehr feine Gasbläschen, wie sie z.B. bei der Elektrolyse wässriger Salzlösungen entstehen, sich an in bekannter Weise durch Lauge/Säurebehandlung ausgeflocktes Zellmaterial ankuppeln können und ihm einen Auftrieb verleihen. Die dabei beobachteten Steigegeschwindigkeiten können ein Vielfaches der bei der Sedimentation beobachteten Absitzgeschwindigkeit betragen.

Eine für die Abtrennung durch Flotation besonders geeignete Flocke lässt sich erzeugen, wenn in bekannter Weise durch Lauge/Säurebehandlung erzeugten Zellagglomeraten wässrige Lösungen hochmolekularer, langkettiger Naturstoffe, wie z.B. Alginate und Stärken, zugesetzt werden. Die vorteilhaftere Flockung äussert sich in einer Verbesserung der Trennschärfe und in einer höheren Feststoffanreicherung im Flotationsschaum.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass die Flotation von Bakterienzellmasse bzw. daraus gebildeten Agglomeraten in zwei oder mehreren voneinander durch Trennwände getrennten Flotationskammern durchgeführt wird, in denen abgestufte Trägergasmengen aus naszierendem O2 und H2 angewendet werden und die verschieden dicht mit Elektrodenflächen bestückt sein können. Diese Aufteilung des Flotationsraumes wirkt sich sowohl günstig auf die Trennschärfe aus als auch auf den spezifischen Energieaufwand.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Auf der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mit einer Flotationszelle in einer ersten Ausführung:
Fig. 2 einen Schnitt durch die Flotationszelle längs der Linie a-a in Fig. 1 und
Fig. 3 eine Flotationszelle in einer zweiten Ausführung.

Das Zellmaterial, mit dem die in den folgenden Beispielen durchgeführten Flotationsversuche durchgeführt wurden, wurde einheitlich unter folgenden Fermentationsbedingungen gewonnen: Stamm: DSM 640 Substrat: Methanol Fermenter: 3 m3 - Multistage-Rührfermenter Drehzahl: 250 Upm Begasungsrate: 1 vvm Fermentationstemperatur: 36 "C pH-Wert: 6,5 Zusammensetzung der Nährlösung: HaPO4 konz. 2,0 ml/l NH40H konz. 2,8 ml/l ALSO4 1,4g/l MgSO .7 H20 0,6 g/l Na2 S04 0,2 g/l Ca(NO3)2 4H20 0,3 g/l Spurenlösung 1,Oml/l
Beispiel I
Aus dem Fermenter, der unter den oben angegebenen Bedingungen betrieben wurde, wurde kontinuierlich ein Volumenstrom abgezogen mit einer Zellkonzentration von ca. 16 g/l.

Diese Zellernte wurde über die Rohrleitung 1 in Figur 1 der Flotationszelle 8 zugeführt. In bekannter Weise

wurde durch die geregelte Zugabe von l0%iger KOH durch die Leitung 2 in die Rohrleitung 1 am Punkt A ein pH-Wert von 10,5 eingestellt. Das Ausflocken der Zellsubstanz erfolgte in ebenfalls bekannter Weise durch Ansäuern mit 10% H2SO4 auf pH 2,5 (Zugabe am Punkt B derselben Rohrleitung).

Nach Passieren der Rohrstrecke 1 wurden in die mit einem langsam laufenden Rührer 6 ausgerüstete Vorlage 5 durch die Zuleitung 4 wechselnde Mengen Na-Alginat oder Stärkepräparate zugesetzt. Der Überlauf aus Vorlage 5 gelangte über Leitung 7 in die Flotationszelle 8. In der Flotationszelle 8 war eine Elektrodenfläche 9 von 0,167 m2 installiert, an die eine Gleichspannung von 6 Volt angelegt wurde. Dabei floss ein Strom von 40 Ampere. Der entstehende Schaum wurde durch eine in der Höhe fixierte, in Längsrichtung bewegliche Absaugevorrichtung 10 abgesaugt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Beispiel2
Die Flotationszelle wurde mit Zellernte aus der gleichen Fermentation beschickt wie in Beispiel 1; sie wurde ausserdem derselben Lauge/Säure-Behandlung unterworfen wie in Beispiel 1 beschrieben; 25 ppm Stärkepräparat wurde zudosiert. Die Flotation wurde in einer Zelle gleichen Volumens wie in Beispiel 1 vorgenommen, die jedoch durch eine Trennwand 11 (Figur 2) in zwei Kammern 12 und 13 mit einem Volumenverhältnis 2:1 unterteilt war. Im Betrieb läuft die Zellernte der grösseren Kammer 12 zu, in der kleineren Kammer 13 wird eine Nachbehandlung vorgenommen. Die Elektrodenfläche 9 von insgesamt 0,167 m2 wurde im Vergleich der Volumina aufgeteilt. Die angelegte Spannung betrug wie in Beispiel 1 6 Volt Gleichspannung. Eine aus dem Schaumsammelbehälter entnommene Probe enthielt 106 g/l TS (Trockensubstanz), während im Klarlauf0,l5 g/l enthalten war.

Beispiel 3
Die Zellernte aus dem Fermenter wurde derselben Säure/ Laugen-Behandlung unterworfen wie in Beispiel 1 und 2 beschrieben, jedoch wurde auf die Zudosierung von Alginat bzw. Stärke verzichtet.

Die Anordnung der Elektroden entsprach der in Beispiel 2 beschriebenen; die angelegte Spannung betrug 6 Volt. Eine aus dem Schaumsammelbehälter entnommene Probe enthielt 86 g/l TS, während im Klarlauf noch 1,5 g/l enthalten war.

Tabellen Versuch Zusatz von Na-Alginat TS-Konzen- TS in der Nr. bzw. Stärkepräparat tration im Klarphase
Schaum
25 ppm Na-Alginat 92 g/l 0,25 g/l 2 100 ppm Na-Alginat 91 g/l 0,19 g/l 3 15 ppm Stärkepräparat 95 g/l 0,21 g/l 4 50 ppm Stärkepräparat 97 g/l 0,29 g/l 5 ohne Zusatz 51 g/l 1,2 g/l

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Gewinnung von Bakterienzellmasse aus diese enthaltenden wässrigen Kulturlösungen, dadurch gekennzeichnet, dass diese bzw. daraus gebildete Agglomerate durch Flotation mit Hilfe elektrolytisch erzeugter Gasbläschen konzentriert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Lauge/Säurebehandlung erzeugten Zellagglomeraten wässrige Lösungen hochmolekularer langkettiger Naturstoffe, insbesondere von Alginaten oder Stärken, zugesetzt werden.
3. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flotation von Bakterienzellmasse bzw. daraus gebildeten Agglomeraten in zwei oder mehreren voneinander durch Trennwände getrennten Flotationskammern durchgeführt wird, in denen abgestufte Trägergasmengen aus naszierendem O2 und H2 angewendet werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Bakterienzellmassen aus diese enthaltenden wässrigen Kulturlösungen.

Die Abtrennung von Bakterienzellmasse aus einer sie enthaltenden Kulturlösung ist ein schwieriges und aufwendiges Problem. Bakterienzellen sind sehr klein, 0,8-1,5 Fm, und sie sind in sehr niedriger Konzentration von 0,5- 5 Gew.-% in der Kulturbrühe enthalten. Ausserdem sind sie vielfach mit einem Schleimschleier umgeben, so dass die im Schwerefeld ausnutzbare Dichtedifferenz sehr klein ist.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um Bakterienzellen aus Suspensionen abzutrennen. Es wurde z.B. vorgeschlagen, durch gezielte Variation des pH-Wertes z.T.

gleichzeitig oder alternativ durch die Einwirkung höherer Temperaturen die Suspension zum Ausfiocken zu bringen, um dann das ausgeflockte Zellmaterial in bekannter Weise entweder direkt mit Hilfe eines Separators oder nach Vorkonzentrierung im Schwerefeld durch einen Separator weiterzukonzentrieren.

Diese Trennverfahren haben folgende Nachteile: 1. Die erzeugten Flocken erweisen sich vielfach als sehr lose und voluminös. Das Volumen an wässrigem Nährmedium, das von den Flocken festgehalten wird, ist gross, so dass die Dichtedifferenz zwischen Flocke und Suspension sehr gering ist. Die Sedimentation im Schwerefeld führt daher nur zu einer mässigen Konzentrierung, da die Komprimierung des Feststoffes im Sediment nur unvollkommen gelingt.

Wegen der niedrigen Sinkgeschwindigkeit der voluminösen Flocken wird die Aufenthaltszeit im Absetzbecken so gross, dass das Zellmaterial beginnt in Lysis überzugehen, 2. die Abtrennung von ausgeflockter Bakterienzellmasse im Separator führt zwar, wenn auf schonenden Einlauf geachtet wird, zu einer mässigen Anreicherung, jedoch sind die erreichbaren Durchsätze so gering, dass es unmöglich ist, diese Trennstufe auf wirtschaftliche Weise durchzuführen.

Wegen der wolkigen Konsistenz der Flocke kommt es bei mässigen Durchsätzen bereits zu einer Überladung der Schlammkammer und damit zu einem Rückstau in dem Klärteil der Maschine mit entsprechend negativer Auswirkung auf die Trennschärfe.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vorkonzentrierung von Bakterienzellen zu entwickeln, das diese genannten Nachteile vermeidet und die Durchführbarkeit des Gesamtprozesses auf wirtschaftliche Weise ermöglicht.

Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe besteht in dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren zur Gewinnung von Bakterienzellmasse.

Es wurde gefunden, dass sehr feine Gasbläschen, wie sie z.B. bei der Elektrolyse wässriger Salzlösungen entstehen, sich an in bekannter Weise durch Lauge/Säurebehandlung ausgeflocktes Zellmaterial ankuppeln können und ihm einen Auftrieb verleihen. Die dabei beobachteten Steigegeschwindigkeiten können ein Vielfaches der bei der Sedimentation beobachteten Absitzgeschwindigkeit betragen.

Eine für die Abtrennung durch Flotation besonders geeignete Flocke lässt sich erzeugen, wenn in bekannter Weise durch Lauge/Säurebehandlung erzeugten Zellagglomeraten wässrige Lösungen hochmolekularer, langkettiger Naturstoffe, wie z.B. Alginate und Stärken, zugesetzt werden. Die vorteilhaftere Flockung äussert sich in einer Verbesserung der Trennschärfe und in einer höheren Feststoffanreicherung im Flotationsschaum.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass die Flotation von Bakterienzellmasse bzw. daraus gebildeten Agglomeraten in zwei oder mehreren voneinander durch Trennwände getrennten Flotationskammern durchgeführt wird, in denen abgestufte Trägergasmengen aus naszierendem O2 und H2 angewendet werden und die verschieden dicht mit Elektrodenflächen bestückt sein können. Diese Aufteilung des Flotationsraumes wirkt sich sowohl günstig auf die Trennschärfe aus als auch auf den spezifischen Energieaufwand.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Auf der Zeichnung zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mit einer Flotationszelle in einer ersten Ausführung: Fig. 2 einen Schnitt durch die Flotationszelle längs der Linie a-a in Fig. 1 und Fig. 3 eine Flotationszelle in einer zweiten Ausführung.

Das Zellmaterial, mit dem die in den folgenden Beispielen durchgeführten Flotationsversuche durchgeführt wurden, wurde einheitlich unter folgenden Fermentationsbedingungen gewonnen: Stamm: DSM 640 Substrat: Methanol Fermenter: 3 m3 - Multistage-Rührfermenter Drehzahl: 250 Upm Begasungsrate: 1 vvm Fermentationstemperatur: 36 "C pH-Wert: 6,5 Zusammensetzung der Nährlösung: HaPO4 konz. 2,0 ml/l NH40H konz. 2,8 ml/l ALSO4 1,4g/l MgSO .7 H20 0,6 g/l Na2 S04 0,2 g/l Ca(NO3)2 4H20 0,3 g/l Spurenlösung 1,Oml/l Beispiel I Aus dem Fermenter, der unter den oben angegebenen Bedingungen betrieben wurde, wurde kontinuierlich ein Volumenstrom abgezogen mit einer Zellkonzentration von ca. 16 g/l.

Diese Zellernte wurde über die Rohrleitung 1 in Figur 1 der Flotationszelle 8 zugeführt. In bekannter Weise **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.