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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
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PATENT CLAIMS
1. A process for obtaining bacterial cell mass from aqueous culture solutions containing it, characterized in that these or agglomerates formed therefrom are concentrated by flotation with the aid of electrolytically generated gas bubbles.
2. The method according to claim 1, characterized in that aqueous agglomerates generated by alkali / acid treatment, aqueous solutions of high molecular weight long-chain natural products, in particular alginates or starches, are added.
3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the flotation of bacterial cell mass or agglomerates formed therefrom is carried out in two or more flotation chambers separated from one another by partition walls, in which graduated amounts of carrier gas from nascent O2 and H2 are used.
The invention relates to a method for separating bacterial cell masses from aqueous culture solutions containing them.
The separation of bacterial cell mass from a culture solution containing it is a difficult and complex problem. Bacterial cells are very small, 0.8-1.5 µm, and they are contained in the culture broth in a very low concentration of 0.5-5% by weight. In addition, they are often surrounded by a veil of mucus, so that the density difference that can be used in the gravitational field is very small.
Various methods are known for separating bacterial cells from suspensions. For example, proposed, partly by targeted variation of the pH
at the same time or alternatively by the action of higher temperatures to cause the suspension to flocculate in order then to further concentrate the flocculated cell material in a known manner either directly with the aid of a separator or after pre-concentration in the gravitational field by means of a separator.
These separation processes have the following disadvantages:
1. The flakes produced often prove to be very loose and voluminous. The volume of aqueous nutrient medium held by the flakes is large, so that the density difference between the flakes and the suspension is very small. Sedimentation in the gravitational field therefore only leads to moderate concentration, since the solid matter in the sediment is not fully compressed.
Because of the low sinking rate of the voluminous flakes, the time spent in the sedimentation tank becomes so long that the cell material begins to pass into lysis,
2. The separation of flocculated bacterial cell mass in the separator leads to moderate enrichment, if care is taken to protect the inlet, but the achievable throughputs are so low that it is impossible to carry out this separation step in an economical manner.
Because of the cloudy consistency of the flake, the sludge chamber is already overloaded at moderate throughputs and thus backlogs in the clarifying section of the machine with a correspondingly negative effect on the selectivity.
The object of the invention was to develop a method for preconcentrating bacterial cells which avoids the disadvantages mentioned and enables the overall process to be carried out in an economical manner.
The achievement of the object according to the invention consists in the method for obtaining bacterial cell mass characterized in claim 1.
It has been found that very fine gas bubbles, e.g. arise in the electrolysis of aqueous salt solutions, can couple to cell material flocculated in a known manner by lye / acid treatment and give it a buoyancy. The rate of climb observed can be a multiple of the rate of sedimentation observed during sedimentation.
A flake which is particularly suitable for the separation by flotation can be produced if cell agglomerates produced in a known manner by alkali / acid treatment contain aqueous solutions of high-molecular, long-chain natural substances, such as e.g. Alginates and starches can be added. The more advantageous flocculation manifests itself in an improvement in the selectivity and in a higher solids concentration in the flotation foam.
A particularly advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the flotation of bacterial cell mass or agglomerates formed therefrom is carried out in two or more flotation chambers separated from one another by partition walls, in which graduated amounts of carrier gas made of nascent O2 and H2 are used and which are equipped with different densities of electrode surfaces could be. This division of the flotation space has a favorable effect on the selectivity as well as on the specific energy consumption.
In the following the invention is explained in more detail by means of examples with reference to the accompanying drawing. Show on the drawing:
1 shows a schematic representation of a device for carrying out the method according to the invention with a flotation cell in a first embodiment:
Fig. 2 shows a section through the flotation cell along the line a-a in Fig. 1 and
Fig. 3 shows a flotation cell in a second embodiment.
The cell material with which the flotation tests carried out in the following examples were carried out was obtained uniformly under the following fermentation conditions: strain: DSM 640 substrate: methanol fermenter: 3 m3 - multistage stirring fermenter speed: 250 rpm gassing rate: 1 vvm fermentation temperature: 36 ° C. pH: 6.5 Composition of the nutrient solution: HaPO4 conc. 2.0 ml / l NH40H conc. 2.8 ml / l ALSO4 1.4 g / l MgSO .7 H20 0.6 g / l Na2 S04 0.2 g / l Ca (NO3) 2 4H20 0.3 g / l trace solution 1, Oml / l
Example I
A volume flow with a cell concentration of approximately 16 g / l was continuously withdrawn from the fermenter, which was operated under the conditions specified above.
This cell harvest was fed to the flotation cell 8 via the pipeline 1 in FIG. In a known way
a pH of 10.5 was set at point A by the controlled addition of 10% KOH through line 2 into line 1. The cell substance was flocculated in a known manner by acidification with 10% H2SO4 to pH 2.5 (addition at point B of the same pipeline).
After passing through the pipe section 1, changing quantities of Na alginate or starch preparations were added to the receiver 5 equipped with a slow-moving stirrer 6 through the feed line 4. The overflow from template 5 reached the flotation cell 8 via line 7. In the flotation cell 8, an electrode area 9 of 0.167 m2 was installed, to which a DC voltage of 6 volts was applied. A current of 40 amperes flowed. The resulting foam was sucked off by a suction device 10 which was fixed in height and movable in the longitudinal direction. The results are shown in Table 1.
Example2
The flotation cell was fed with cell harvest from the same fermentation as in Example 1; it was also subjected to the same alkali / acid treatment as described in Example 1; 25 ppm starch preparation was added. The flotation was carried out in a cell of the same volume as in Example 1, but was divided into two chambers 12 and 13 with a volume ratio of 2: 1 by a partition 11 (FIG. 2). In operation, the cell harvest runs to the larger chamber 12, and aftertreatment is carried out in the smaller chamber 13. The electrode area 9 of a total of 0.167 m2 was divided in the comparison of the volumes. The voltage applied was 6 volts DC, as in Example 1. A sample taken from the foam collection container contained 106 g / l TS (dry substance), while 0.15 g / l was contained in the clear run.
Example 3
The cell harvest from the fermenter was subjected to the same acid / alkali treatment as described in Examples 1 and 2, but the alginate or starch was not added.
The arrangement of the electrodes corresponded to that described in Example 2; the applied voltage was 6 volts. A sample taken from the foam collection container contained 86 g / l TS, while 1.5 g / l was still contained in the clear run.
Tables attempt addition of Na-Alginat TS-Konzen- TS in the No. or starch preparation in the clear phase
foam
25 ppm Na alginate 92 g / l 0.25 g / l 2 100 ppm Na alginate 91 g / l 0.19 g / l 3 15 ppm starch preparation 95 g / l 0.21 g / l 4 50 ppm starch preparation 97 g / l 0.29 g / l 5 without additive 51 g / l 1.2 g / l