DE3689966T2

DE3689966T2 - Gärungsverfahren mit einer Flüssigkeit-Flüssigkeit-Extraktion des Gärungsproduktes.

Info

Publication number: DE3689966T2
Application number: DE3689966T
Authority: DE
Inventors: Andrew J Daugulis; Finn Kollerup
Original assignee: Queens University at Kingston
Current assignee: Queens University at Kingston
Priority date: 1985-09-13
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2006-09-05
Also published as: EP0216221A2; JPH0829108B2; EP0216221A3; JPS6265675A; EP0216221B1; CA1280705C; DE3689966D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

I. GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft die Herstellung von nützlichen chemischen Produkten durch Fermentation. Insbesondere betrifft die Erfindung Fermentationsverfahren, bei denen die Produkte aus dem Fermentationsmedium durch Flüssig-Flüssig-Extraktion entfernt werden können.

II. BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

Es ist allgemein bekannt, daß die verschiedensten chemischen Produkte durch Kultivierung oder Fermentation von Mikroorganismen hergestellt werden können. Beispielsweise können eine Reihe von Antibiotika (etwa Penicillin), Aceton/Butanol, Citronensäure und natürlich Ethanol auf diese Weise hergestellt werden. Eine Übersicht verschiedener Techniken, die bei der Fermentation angewandt werden, wobei die Herstellung von Ethanol als Beispiel dient, ist in "Biotechnology Report", Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXVI, S. 1003-1025 (1984), von Maiorella et al. gegeben; auf den Inhalt dieses Dokuments wird hier Bezug genommen.
Der bedeutsamste Nachteil von Fermentationsverfahren ist, daß das Produkt normalerweise nur in verdünnter Form, d. h. als eine verdünnte Lösung in dem wäßrigen Fermentationsmedium, erhalten wird. Häufig ist der Grund hierfür das Phänomen der "Endprodukt-Hemmung". Das bedeutet, daß die Herstellungsrate des Produkts durch den Mikroorganismus mit steigender Produktkonzentration abnimmt und der Mikroorganismus durch das Produkt desaktiviert wird, wenn das Produkt eine bestimmte kritische Konzentration in dem Fermentationsmedium erreicht. Daher kann beispielsweise Ethanol durch Fermentation in einer Konzentration von nicht mehr als ca. 11-12% (Gew./Vol.) erhalten werden. Es ist somit notwendig, zusätzliche Schritte zur Einengung und Reinigung des Produkts vorzusehen, und solche Schritte sind häufig schwierig und teuer. Im Fall von Ethanol wird das Fermentationsmedium normalerweise einer teuren wäßrigen Destillation unterworfen, und es müssen (wenn der absolute Alkohol verlangt wird) weitere Schritte durchgeführt werden, um das Ethanol aus dem Azeotrop, das es mit Wasser bildet, abzutrennen. Ähnliche Schwierigkeiten werden bei anderen Produkten angetroffen.
Um den vorgenannten Nachteil zu überwinden, wird versucht, das Produkt aus dem Fermentationsmedium im Verlauf der Fermentation zu entfernen, so daß das Produkt eine schädliche oder kritische Konzentration gar nicht erst erreicht. Auf diese Weise kann der Mikroorganismus über einen langen Zeitraum mit hoher Produktionsrate wirksam sein. Durch geeignete Wahl des Verfahrens, mit dem das Produkt entfernt wird, können außerdem die Schwierigkeiten und Kosten der Destillation von verdünnten wäßrigen Lösungen vermieden werden.
Ein derartiger Versuch verwendet eine Flüssigkeit, die mit dem wäßrigen Fermentationsmedium unmischbar ist, jedoch ein Extraktionsmittel für das gewünschte Produkt ist. Das Produkt teilt sich zwischen dem Extraktionsmittel und dem Fermentationsmedium auf, wenn die beiden in Kontakt gebracht werden, so daß die Produktkonzentration in dem wäßrigen Fermentationsmedium herabgesetzt wird. Bei der praktischen Durchführung ergeben sich aber bei diesem Verfahren eine Reihe von Schwierigkeiten. Beispielsweise sind übliche mit Wasser unmischbare Lösungsmittel für die meisten Mikroorganismen toxisch und können daher nicht zum direkten Kontakt mit einem Mikroorganismen enthaltenden wäßrigen Fermentationsmedium eingesetzt werden. Zweitens werden zwischen dem Fermentationsmedium und bestimmten Extraktionsmitteln häufig stabile Emulsionen gebildet, was zu Schwierigkeiten der Trennung, zur Blockierung der Anlage usw. führt. Außerdem ist es nicht einfach, Extraktionsmittel zu finden, die einen hohen Verteilungskoeffizienten für das Produkt haben und später durch kostengünstige Techniken von dem Produkt getrennt werden können.
Gyamerah und Glover ("Ethanol by Continuous Fermentation using a Combination of Immobilized Yeast and Solvent Extraction", eine Abhandlung, die bei "Advances in Fermentation '83", Chelsea College, London (UK), 21.-23. Sept. 1983 präsentiert wurde) haben beispielsweise n-Dodecanol, Tributylphosphat und n-Dodecan als Extraktionsmittel eingesetzt, haben jedoch gefunden, daß stabile Emulsionen gebildet wurden. Sie schrieben das Problem der Emulsionsbildung der Gegenwart von Hefezellen in dem Fermentationsmedium zu und versuchten daher, das Problem durch Immobilisierung der Hefezellen zu überwinden.
Andere vorgeschlagene Extraktionsmittel sind geradkettige paraffinische Kohlenwasserstoffe (R. K. Finn, "Inhibitory Cell Products: Their Formation and Some New Methods of Removal", J. Ferm. Technol., Vol. 44, S. 305-310, 1966); langkettige gesättigte aliphatische Alkohole (Wang, Robinson und Lee, "Enhanced Alcohol Production Through On-Line Extraction", Biotechnology and Bioengineering Symp., Nr. 11, 555-565, 1981); und verschiedene Polymersysteme (internationale Anmeldung, veröffentlicht unter PCT als WO 82/01563, Mattiasson et al., 13. Mai 1982).
Das Dokument US-A-2 053 770 bezieht sich auf das Konzept der Rückgewinnung des Fermentationsprodukts in situ und auf den Einsatz einer Extraktionsflüssigkeit, die gegenüber der Fermentation inert ist. Das bevorzugte dort vorgeschlagene Lösungsmittel ist jedoch Isoamylalkohol, der nicht biokompatibel ist. Auch die übrigen Lösungsmittel, die in US-A-2 053 770, Sp. 1, Z. 54 bis Sp. 2, Z. 7 aufgeführt sind, sind ebenfalls toxisch und nicht biokompatibel.
Das Dokument BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING SYMPOSIUM, Nr. 15, Proceedings of the Seventh Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals, Gatlinburg, Tennessee, 14.-17. Mai 1985, S. 611-620, richtet sich auf die nachgeschaltete Rückgewinnung und nicht auf die Produktrückgewinnung in situ.
Bei dem dort beschriebenen Verfahren gelangt das gewählte Lösungsmittel überhaupt nicht mit den Ethanol-produzierenden Mikroorganismen in Kontakt, und daher stellt sich die Frage der Biokompatibilität nicht. Außerdem enthält dieses Dokument keinerlei Daten hinsichtlich der Toxizität. Nahezu ausnahmslos sind die in Tabelle 1 und Tabelle 2 auf den Seiten 614-618 dieses Dokuments aufgeführten Lösungsmittel tatsächlich für Mikroorganismen, die bei Fermentationsverfahren eingesetzt werden, toxisch.
Es wird daher angenommen, daß bisher keine wirklich zufriedenstellenden Extraktionsmittel entdeckt worden sind, d. h. keine Extraktionsmittel, die eine kontinuierliche Durchführung des Verfahrens in großtechnischem Maßstab bei tragbaren Kosten zulassen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Produkten durch Fermentation, gekoppelt mit der Flüssig-Flüssig-Extraktion der gebildeten Produkte.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer neuen Serie von Extraktionsmitteln, die für die Flüssig-Flüssig-Extraktion von Fermentationsprodukten aus wäßrigem Fermentationsmedium eingesetzt werden können.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das die Extraktion des Produkts in situ zuläßt, ohne daß der Mikroorganismus immobilisiert werden muß.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Fermentationsverfahrens, das über einen langen Zeitraum kontinuierlich ablaufen kann.
Die genannten Aufgaben werden mit den Verfahren nach den beigefügten Patentansprüchen 1, 2 und 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts durch extraktive Fermentation angegeben, wobei ein Substrat in einem wäßrigen Medium mit Hilfe eines Mikroorganismus kultiviert und das resultierende Produkt aus dem Medium entfernt wird, indem das Medium mit einem Extraktionsmittel für das Produkt, das in dem wäßrigen Medium im wesentlichen unmischbar ist, in Kontakt gebracht wird. Die Erfindung verwendet als das Extraktionsmittel eine Flüssigkeit aus einer der nachstehenden Gruppen:
A. ungesättigte aliphatische Alkohole mit Doppelbindungen mit 12 oder mehr Kohlenstoffatomen;
B. gesättigte verzweigtkettige aliphatische Alkohole mit 14 oder mehr Kohlenstoffatomen oder Gemische davon (z. B. Guerbet-Alkohole);
C. ungesättigte aliphatische Säuren mit Doppelbindungen mit 12 oder mehr Kohlenstoffatomen;
D. aliphatische und aromatische Mono-, Di- oder Triester mit 12 oder mehr Kohlenstoffatomen, die nicht Dibutylphthalat sind;
E. aliphatische nichtcyclische Ketone und aliphatische Aldehyde mit 12 oder mehr Kohlenstoffatomen; und
F. Gemische aus Extraktionsmitteln der obigen Gruppen bis oder Gemische aus mindestens einem der obigen Extraktionsmittel und mindestens einem weiteren Extraktionsmittel.
Die obigen Verbindungen sind für die meisten industriell einsetzbaren Mikroorganismen unter den Prozeßbedingungen im wesentlichen nichttoxisch, tendieren nicht zur Bildung stabiler Emulsionen, haben gute Verteilungskoeffizienten für übliche Fermentationsprodukte und können von diesen Verbindungen relativ kostengünstig getrennt werden. Somit vereinigen sie alle Merkmale, die notwendig sind, um die extraktive Fermentation zu einem brauchbaren großtechnischen Verfahren zu machen.
Jede der obigen Gruppen bis bezeichnet eine minimale Zahl von Kohlenstoffatomen, die die Extraktionsmittel haben können. Es gibt keine kritische maximale Zahl von Kohlenstoffatomen für jede Gruppe mit der Ausnahme, daß die Extraktionsmittel natürlich unter den Extraktionsbedingungen flüssig sein sollten und die Schmelzpunkte von Verbindungen die Tendenz haben, mit steigender Kohlenstoffzahl abzunehmen. Die praktikable Obergrenze von Kohlenstoffatomen jeder Gruppe ist somit bevorzugt die größte Zahl, die Verbindungen entspricht, die bei 40ºC flüssig sind. Im allgemeinen ist der Einsatz eines Extraktionsmittels erwünscht, dessen Zahl von Kohlenstoffatomen nahe der kleinsten Zahl für jede Gruppe liegt, weil der Produktverteilungskoeffizient die Tendenz hat, mit zunehmender Kettenlänge kleiner zu werden. Es können aber auch andere Überlegungen bei der Wahl eines bestimmten Lösungsmittels aus jeder Gruppe wichtig sein, beispielsweise Preis und Verfügbarkeit, so daß in manchen Fällen Extraktionsmittel mit höheren Kohlenstoffzahlen bevorzugt sein können.
Der Einsatz der Extraktionsmittelgemische der obigen Gruppe kann unter verschiedenen Umständen besonders vorteilhaft sein. Wenn beispielsweise durch die Fermentationsreaktion (z. B. während der Aceton-Butanol-Fermentation) mehr als ein Produkt gebildet wird, können eine oder mehrere der Komponenten in dem Extraktionsmittelgemisch gegenüber einem bestimmten Produkt (z. B. Aceton) selektiv sein. Außerdem können Extraktionsmittelgemische eingesetzt werden, um physikalische Eigenschaften, wie z. B. die Dichte, den siedebereich und die Viskosität des flüssigen Extraktionsmittels einzustellen und zu optimieren.
Wenn ein anderes Extraktionsmittel als die in den Gruppen bis aufgeführten als eine Komponente eines Gemischs gemäß Gruppe F eingesetzt wird, sollte das andere Extraktionsmittel sorgfältig gewählt sein, um sicherzustellen, daß es dem Extraktionsmittelgemisch keine schädlichen oder nachteiligen Eigenschaften verleiht, z. B. Toxizität für Mikroorganismen oder die Tendenz zur Bildung stabiler Emulsionen.
Besonders bevorzugte Lösungsmittel aus den obigen Gruppen sind nachstehend aufgeführt. Einige herkömmliche Extraktionsmittel sind ebenfalls zu Vergleichszwecken angegeben und als Gruppe bezeichnet.

Gruppe A

(A1) Oleylalkohol (cis-9-Octadecen-1-ol)
(A2) Phytol (3,7,11,15-Tetramethyl-2-hexadecen-1-ol)
(A3) Isophytol (3,7,11,15-Tetramethyl-1-hexadecen-3-ol)

Gruppe B

(B1) Isostearylalkohol, z. B. das unter dem Warenzeichen ADOL 66 vertriebene technische Produkt
(B2) Isocetylalkohol, z. B. das unter dem Warenzeichen Eutanol G-16 vertriebene technische Produkt
(B3) Octyldodecanol, z. B. das unter dem Warenzeichen Eutanol G vertriebene technische Produkt

Gruppe C

(C1) Ölsäure (cis-Octadec-9-ensäure)
(C2) Linolsäure (Octadeca-9,11-diensäure)
(C3) Ricinusölsäure (12-Hydroxyoctadec-9-ensäure)

Gruppe D

(D1) Dodecylacetat (CH&sub3;COO(CH&sub2;)&sub1;&sub1;)
(D2) Butyldodecanoat (CH&sub3;(CH&sub2;)&sub1;&sub0;COOC&sub4;H&sub9;)
(D3) Dibutylsebacat (C&sub4;H&sub9;OOC(CH&sub2;)&sub8;COOC&sub4;H&sub9;)
(D4) Di(2-ethylhexyl)sebacat (C&sub8;H&sub1;&sub7;OOC(CH&sub2;)&sub8;COOC&sub8;H&sub1;&sub7;)
(D5) Dibutyladipat (C&sub4;H&sub9;OOC(CH&sub2;)&sub4;COOC&sub4;H&sub9;)
(D6) Di(2-ethylhexyl)adipat (C&sub8;H&sub1;&sub7;OOC(CH&sub2;)&sub4;COOC&sub8;H&sub1;&sub7;)
(D7) Di(2-ethylhexylphthalat (C&sub8;H&sub1;&sub7;OOCC&sub6;H&sub4;COOC&sub8;H&sub1;&sub7;)
(D8) Di(3,5,5-trimethylhexyl)phthalat (C&sub8;H&sub1;&sub7;OOCC&sub6;H&sub4;COOC&sub8;H&sub1;&sub7;)
(D9) Glycerintridecanoat ([CH&sub3;(CH&sub2;)&sub8;COOCH&sub2;]&sub2;CHOCO(CH&sub2;)&sub8;CH&sub3;)

Gruppe E

(E1) 2-Dodecanon (CH&sub3;CO(CH&sub2;)&sub9;CH&sub3;)
(E2) Dodecanal (CH&sub3;(CH&sub2;)&sub1;&sub0;CHO)

Gruppe F

(F1) das technische Produkt, das unter dem Warenzeichen ADOL 85 NF vertrieben wird (69% Oleylalkohol)
(F2) das technische Produkt, das unter dem Warenzeichen ADOL 330 vertrieben wird (62% Oleylalkohol)
(F3) das technische Produkt, das unter dem Warenzeichen HD Oleylalkohol vertrieben wird (technischer Oleylalkohol)

Gruppe P (herkömmliche Extraktionsmittel)

(P1) 1-Dodecanol (n-Dodecylalkohol)
(P2) Dibutylphthalat (C&sub6;H&sub4;[COOC&sub4;H&sub9;]&sub2;)
(P3) Tributylphosphat ([C&sub4;H&sub9;)&sub3;PO&sub4;)
(P4) PPG 1 000 (Polypropylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht von 1000)
Die folgende Tabelle nennt die relevanten physikalischen Daten für jede der obigen Verbindungen einschließlich der herkömmlichen Verbindungen der Gruppe P zum Vergleich. In der Tabelle sind die Verbindungen durch die in Klammern stehenden Buchstaben und Zahlen identifiziert, die jeder der Verbindungen in der obigen Aufzählung vorangehen.
Die Tabelle gibt folgende Informationen für jede Verbindung:
(a1) Verteilungskoeffizient in Fermentationsbrühe, (a2) Verteilungskoeffizient in destilliertem Wasser; (b) Emulsionstendenz; (c1) normaler Siedepunkt, (c2) Schmelzpunkt, (c3) Flüssigkeitsdichte, (c4) latente Verdampfungswärme, (c5) Molekulargewicht, (c6) letale Dosis 50; Biokompatibilitätsdaten in Form von (d1) % Lebensfähigkeit, (d2) % Stoffwechselaktivität und (d3) Biokompatibilitätsbewertung; gegenseitige Löslichkeit (e1) Lösungsmittel in Wasser und (e2) Wasser in Lösungsmittel. TABELLE: PHYSIKALISCHE DATEN DER EXTRAKTIONSMITTEL EXTRAKTIONSMITTEL EXTRAKTIONS.-DATEN 1: in Ferm.brühe 2: in dest. Wasser Emulsionstendenz Biokompatib. 1: % lebensfähig 2: Aktivität 3: Bewertung gegens. Löslichk. pct 1: lsg. in Wasser ppb 2: Wasser in Lsg. EXTRAKTIONSMITTEL EXTRAKTIONS.-DATEN 1: in Ferm.brühe 2: in dest. Wasser Emulsionstendenz Biokompatib. 1: % lebensfähig 2: Aktivität 3: Bewertung gegens. Löslichk. pct 1: lsg. in Wasser ppb 2: Wasser in Lsg. EXTRAKTIONSMITTEL EXTRAKTIONS.-DATEN 1: in Ferm.brühe 2: in dest. Wasser Emulsionstendenz Biokompatib. 1: % lebensfähig 2: Aktivität 3: Bewertung gegens. Löslichk. pct 1: lsg. in Wasser ppb 2: Wasser in Lsg.

BEMERKUNGEN ZU DER TABELLE

1. (a) Die Verteilungskoeffizienten wurden auf Massenbasis berechnet, d. h. als ([EtOH]s/[EtOH]a)/DENS(s), wobei DENS(s) die Dichte des Lösungsmittels ist und eine Einheitsdichte für die wäßrige Phase verwendet wird. Der Verteilungskoeffizient in der Fermentationsbrühe wurde wie folgt gemessen: Ein Schüttelkolben, der 50 ml eines 15% Glukosemediums enthielt, wurde mit Hefezellen beimpft, die man für 8 h wachsen ließ. Zu diesem Zeitpunkt wurde der wachsenden Kultur 10 ml Lösungsmittel zugefügt. Nach 24 h, nachdem praktisch die gesamte Glukose zu Ethanol umgesetzt war, wurde die Ethanolkonzentration in der wäßrigen und in der Lösungsmittelphase gemessen. Der Verteilungskoeffizient in destilliertem Wasser wurde gemessen durch Äquilibrieren von 5 g Lösungsmittel mit 5 ml einer 5% (Gew./Vol.) Ethanollösung in destilliertem Wasser. Es ist zu beachten, daß in den meisten Fällen der in der Fermentationsbrühe beobachtete Verteilungskoeffizient höher als der in destilliertem Wasser war. Das wird einem "Salzeffekt" aufgrund der Anwesenheit von Restglukose, Hefezellen usw. in der Fermentationsbrühe zugeschrieben. Diese Verteilungskoeffizienten sind zwar nur für Ethanol erhalten, man kann aber mit Sicherheit sagen, daß die entsprechenden Verteilungskoeffizienten für Aceton und Butanol um eine Größenordnung höher sind.
2. (b) Die Emulsionstendenz wurde nach der folgenden Skala bewertet: 0 - keine Emulsionstendenz, 1 - eine gewisse Emulsionstendenz und 2 - starke Emulsionstendenz.
3. (c) Physikalische Lösungsmitteldaten. (1) NBP (Normalsiedepunkt) wurde als direkte experimentelle Information gewonnen oder aus Siedepunktdaten bei vermindertem Druck extrapoliert. (2) MP (Schmelzpunkt) wurde, wenn verfügbar, als direkte experimentelle Information gewonnen. (3) DENS (Dichte) - direkte experimentelle Information. (4) Hvap (latente Verdampfungswärme) wurde entweder als direkte experimentelle Information erhalten oder unter Anwendung der Troutonschen Regel berechnet (Hvap=21*NBP). (5) MOL.WT. (Molekulargewicht) - experimentelle Daten. (6) LD50 (orale letale Dosis 50 für Ratten) - experimentelle Daten.
4. (d) Biokompatibilitäts-Indikatoren. (1) % Lebensfähigkeit = der Prozentsatz überlebender Hefezellen (auch als Zell-Lebensfähigkeit bekannt), nachdem sie für 16 h dem Lösungsmittel unter den in Abschnitt 1 angegebenen Bedingungen ausgesetzt waren. Die Zell-Lebensfähigkeit wurde entweder mittels Verdünnungs-Plattenverfahren oder durch Anwendung der Anfärbetechnik mit Methylenblau [Lee et al., Biotechnol. Bioeng. Symp., 11 (3rd Symp. Biotechnol. Energy Prod. Conserv.), 641-649, 1981) gemessen.
(2) % Aktivität wurde als der Mittelwert des Prozentsatzes an verbrauchter Glukose und gebildetem Ethanol relativ zu einer Kontrollkultur gemessen. (3) Die Biokompatibilität von Lösungsmitteln wurde eingestuft als B: biokompatibel, I: inhibierend oder T: toxisch. Die spezifischen Kriterien, die angewandt wurden, um zwischen diesen drei Lösungsmittelgruppen zu unterscheiden, waren die folgenden:
- Wenn bei einer Plattenzählung keine über lebenden Zellen vorlagen, nachdem sie dem Lösungsmittel ausgesetzt worden waren, wurde das Lösungsmittel als toxisch eingestuft, und zwar ohne Rücksicht auf sonstige Indikatoren.
- Von den Lösungsmitteln, die zuließen, daß Zellen bei einer Plattenzählung überlebten, wurden diejenigen die eine Stoffwechselaktivität von ≤90% zeigten, als inhibierende Lösungsmittel eingestuft.
- Die übrigen Lösungsmittel, die mehr als 90% Stoffwechselaktivität zeigten, nachdem sie dem Lösungsmittel ausgesetzt worden waren, wurden als biokompatibel eingestuft.
Es ist zu beachten, daß diese Toxizitätsinformation streng genommen nur für Hefezellen gilt. Es gibt aber gute Gründe zu glauben, daß ein Lösungsmittel, das für Hefezellen nichttoxisch ist, gegenüber anderen Mikroorganismen ebenfalls nichttoxisch ist.
5. (e) Gegenseitige Löslichkeiten wurden aus UNIFAC [Magnussen et al., Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 20(2), 331-339, 1981) berechnet. (1) Die Löslichkeit des Lösungsmittels in Wasser wurde in Molprozent (pct) ausgedrückt, während (2) die Löslichkeit von Wasser in Lösungsmittel als molare Nano-Konzentration (ppb) ausgedrückt wurde.
Insbesondere zeigt die obige Tabelle, daß die Extraktionsmittel der Erfindung keine oder nur eine geringe Tendenz zur Bildung von Emulsionen, akzeptable Biokompatibilität, gute Verteilungskoeffizienten für das Produkt und geringe Wasserlöslichkeit haben. Sie sind daher ideale Extraktionsmittel zur Verwendung bei der Erfindung.
Beispiele der Fermentationsprozesse, bei denen die Erfindung angewandt werden kann, umfassen die Erzeugung von Ethanol durch die Kultivierung der Hefe Saccharomyces cerevisiae (und des Bakteriums Zymomonas mobilis), die Erzeugung von Aceton/Butanol durch die Kultivierung von Clostridium acetobutylicum, die Herstellung von Penicillin durch die Kultivierung von Penicillium chrysogenum, die Herstellung von Citronensäure durch die Kultivierung von Aspergillus niger und die Herstellung von Polysacchariden durch die Kultivierung von Pullularia pullulans.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß die oben aufgeführten Lösungsmittel für die Extraktion des Produkts in situ eingesetzt werden können. Das heißt, die Lösungsmittel können direkt in den Bioreaktor eingeleitet werden, wo sie das Produkt aus dem Fermentationsmedium während der Entstehung des Produkts entfernen. Die Extraktion in situ bietet die folgenden Vorteile:
(i) verringerte Bioreaktor-Kosten infolge der geringeren Anlagengröße (Investitionskosten-Vorteil),
(ii) verminderte Produktgewinnungskosten aufgrund von höheren Produktkonzentrationen (Betriebskosten-Vorteil) und
(iii) geringere Kosten für die Vorbehandlung des Mediums und die Aufbereitung der Abprodukte infolge von kleineren wäßrigen Strömen (Betriebskosten-Vorteil).
Da die Extraktionsmittel nur geringe Tendenz zur Bildung von stabilen Emulsionen mit dem Fermentationsmedium in Gegenwart von Mikroorganismen haben, ist es nicht notwendig, den Mikroorganismus zu immobilisieren oder aus dem Fermentationsmedium abzutrennen, bevor die Extraktion erfolgt.
Da sich außerdem die Extraktionsmittel relativ leicht von dem wäßrigen Fermentationsmedium trennen, können sie leicht aus dem Bioreaktor entfernt bzw. ergänzt werden, so daß das Extraktionsverfahren kontinuierlich ablaufen kann. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die aus dem Bioreaktor entfernte Lösung aus Extraktionsmittel/ Produkt behandelt werden, um das Produkt von dem Extraktionsmittel zu trennen, und dann kann das Extraktionsmittel zum Bioreaktor im Kreislauf rückgeführt werden, um weiteres Produkt zu extrahieren.
Die einfache Trennung des Fermentationsmediums und des Extraktionsmittels läßt auch zu, daß das Fermentationsmedium aus dem Bioreaktor abgezogen und frische Substratlösung zugefügt werden kann, wenn das gewünscht wird.
Der Fermentationsprozeß kann daher insofern vollständig kontinuierlich gemacht werden, als das Extraktionsmittel zwischen dem Bioreaktor und der Trennvorrichtung im Kreislauf rückgeführt und das Fermentationsmedium kontinuierlich aufgefrischt werden kann. Da nicht zugelassen wird, daß das Endprodukt die kritische toxische Konzentration erreicht, kann der Fermentationsvorgang auf unbegrenzte Zeit oder wenigstens über einen sehr langen Zeitraum fortgesetzt werden.
Das Verfahren wird vorteilhaft in einem kontinuierlich arbeitenden Rührtank-Bioreaktor durchgeführt, in dem die Zellen des Mikroorganismus frei suspendiert sind. Das erlaubt die Erzielung einer hohen Ausbeute, während gleichzeitig eine bewährte Fermentations-Technologie genutzt wird. In einer solchen Vorrichtung sollte zum Betrieb im stabilen Zustand die Einsatzrate von frischer Substratlösung (die als Verdünnungsrate bekannt ist, d. h. als die Einsatzdurchflußrate dividiert durch das Volumen des Bioreaktors) derart sein, daß die Rate der Zellentfernung in dem abfließenden Medium gleich der Rate der Zellproduktion in dem Bioreaktor ist. Auf diese Weise bleibt die Zellpopulation der Mikroorganismen praktisch unverändert.
Die Tatsache, daß die Erfindung den Einsatz von frei suspendierten Zellen in dem Bioreaktor zuläßt, ist vorteilhaft, weil freie Zellen produktiver als immobilisierte Zellen sein können, da freie Zellen nicht auf die Stoffaustauschwiderstände treffen, die mit Immobilisierungsmatrizen häufig einhergehen, und da der Einsatz immobilisierter Zellen das Verfahren teuer macht. Da ferner die Extraktionsmittel nichttoxisch sind und keine stabilen Emulsionen in Gegenwart der Mikroorganismen bilden, brauchen keine Schritte vorgesehen zu werden, um sicherzustellen, daß Zellen aus dem Fermentationsmedium entfernt werden, bevor die Flüssig-Flüssig-Extraktion stattfindet.
Die Normalbedingungen, unter denen der Fermentations/Extraktions-Prozeß abläuft, sind die folgenden: (a) 20-80ºC, (b) Vakuum bis geringfügig oberhalb Atmosphärendruck (0,05-5 at), (c) pH 3,0-8,00, (d) Rühren 0-1000 min&supmin;¹, (e) Belüftung 0-5 vvm (Liter Luft/Liter Fermentationsbrühe/min), (f) Einsatzkonzentration 20-800 g/l Glukoseäquivalente, (g) Lösungsmittelverdünnungsrate 0, 1-25 h&supmin;¹. Selbstverständlich können diese Bedingungen im Bedarfsfall geändert werden, und sie sollten nicht als Einschränkung der Erfindung betrachtet werden.
Die kontinuierliche Fermentation unter Anwendung eines kontinuierlich arbeitenden Rührtank-Bioreaktors, wie oben angegeben, wird zwar stark bevorzugt, die hier angegebenen Lösungsmittel können aber, falls gewünscht, auch zur chargenweisen Fermentation oder zur Fed-Batch-Fermentation oder zur Fermentation mit immobilisierten Zellen eingesetzt werden.
Außerdem kann, falls gewünscht, eine nachgeschaltete Extraktion (anstelle einer solchen in situ) durchgeführt werden. Bei einem solchen Verfahren wird die Flüssig-Flüssig-Extraktion des Produkts an Fermentationsmedium durchgeführt, das aus dem Bioreaktor entfernt ist. Nach Trennung des wäßrigen Mediums aus der Extraktionsmittel/Produkt-Lösung kann das Medium im Kreislauf zum Bioreaktor rückgeführt oder entsorgt oder zur Abtrennung von verbliebenem Produkt aufbereitet werden.
Während des Extraktionsschritts wird das Extraktionsmittel bevorzugt in innigen Kontakt mit dem wäßrigen Medium gebracht, um die rasche und vollständige Trennung des Produkts zu fördern. Beispielsweise im Fall einer Extraktion in situ kann das Extraktionsmittel in kleinen Strömen am Boden des Bioreaktors eingeleitet werden, und dann läßt man es zur Oberfläche steigen, um eine kontinuierliche Oberflächenschicht zu bilden.
Nach der Trennung der Extraktionsmittel/Produkt-Lösung von dem Fermentationsmedium kann das Produkt aus dem Extraktionsmittel durch alle geeigneten Mittel entfernt werden, und wie bereits erwähnt, kann das Extraktionsmittel dann rückgewonnen und erneut zur weiteren Produktextraktion eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Extraktionsmittel/Produktlösung destilliert werden, um das Produkt von dem Extraktionsmittel zu trennen. Die Destillation der Extraktionsmittellösung benötigt gewöhnlich nicht ebenso viel Energiezufuhr wie die Destillation des Fermentationsmediums selbst, weil die organischen Extraktionsmittel eine geringere latente Verdampfungswärme und spezifische Wärme als Wasser haben und weil die Siedepunkte der Lösungsmittel viel höher als der von Wasser sind, was zu weniger Gleichgewichts-Destillationsstufen führt. Ferner kann leicht ein Extraktionsmittel gewählt werden, das mit dem Produkt kein Azeotrop bildet oder das Produkt nicht anderweitig beeinflußt, so daß ein Produkt höherer Reinheit erhalten werden kann, als es häufig bei der Direktdestillation des Fermentationsmediums der Fall ist.
Als Alternative zur Destillation kann das Produkt von dem Extraktionsmittel durch Abstreifen mit Luft oder CO&sub2;, gefolgt von Produktkondensation, oder nach irgendeinem anderen geeigneten Verfahren abgetrennt werden.
Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines kontinuierlich arbeitenden Rührtank-Bioreaktors, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrieben wird;
Fig. 2 eine Darstellung einer Destillationsvorrichtung zum Trennen von Extrakt und Produkt;
Fig. 3 eine Darstellung einer Extraktionsmittel-Abstreifvorrichtung, die als Alternative zu der Destillationsvorrichtung von Fig. 2 verwendet werden kann;
Fig. 4 ein Schema einer integrierten Vorrichtung zur kontinuierlichen Fermentation, Produktentfernung und Produktabtrennung;
Fig. 5 ein Schema einer bevorzugten, alternativen Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 4;
Fig. 6 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Brüheseparators, der in der Vorrichtung von Fig. 5 verwendet wird; und
Fig. 7 eine Skizze eines alternativen Brüheseparators, der in der Vorrichtung von Fig. 5 verwendet wird.
Die nachstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsform betrifft die Herstellung von Ethanol durch Fermentation eines Substrats (wie etwa Glukose) in Gegenwart von Hefe.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines kontinuierlich arbeitenden Rührtank-Bioreaktors 10, der zur Verwendung bei der Erfindung geeignet ist. Der Bioreaktor weist einen Behälter 11 auf, der einen Überlaufauslaß 12 und eine Abdeckung 13 hat. Im Gebrauch liegt eine Schicht 14 von Extraktionsmittel über einem wäßrigen Fermentationsmedium 15, das eine Hefe enthält, die fähig ist, ein Substrat wie etwa Glukose zu Ethanol umzusetzen. Der Behälter 11 kann mit einem mechanischen Rührwerk (nicht gezeigt) versehen sein, obwohl ein solches Rührwerk nicht wirklich notwendig ist, wie sich aus der folgenden Beschreibung ergibt.
Frisches Medium, welches das Substrat enthält, wird in den Bioreaktor auf kontinuierlicher Basis durch eine Leitung 16 eingeleitet. Das Medium und eventuell mitgerissenes Extraktionsmittel wird aus dem Bioreaktor auf kontinuierlicher Basis über eine Leitung 17 abgezogen. Da die Einleitungs- und Entnahmeraten des Mediums die gleichen sind, bleibt der Spiegel des Mediums in dem Bioreaktor im wesentlichen unverändert.
Extraktionsmittel und Luft (die Einleitung von Luft ist für anaerobe Fermentationsvorgänge wie diejenigen zur Erzeugung von Ethanol, Aceton und Butanol eventuell nicht notwendig) werden in den Bioreaktor durch eine Leitung 18 aus gesonderten Zuführleitungen 19 bzw. 20 eingeleitet. Ein Verteilerkopf 21 befindet sich am Boden des Bioreaktors und ist mit der Extraktionsmittel/Luftleitung 18 verbunden. Der Verteilerkopf 21 ist mit einer größeren Anzahl kleiner Löcher versehen, so daß das Extraktionsmittel und Luft in kleine Ströme aufgetrennt werden, wenn sie in das Fermentationsmedium 15 eintreten. Da das Extraktionsmittel und Luft geringere Dichte als das wäßrige Fermentationsmedium haben, steigen beide an die Oberfläche und gelangen dabei in innigen Kontakt mit dem Fermentationsmedium.
Die aufperlenden Luftblasen haben die Wirkung, das Medium zu bewegen. Das Extraktionsmittel entfernt einen Teil des Ethanolprodukts aus dem wäßrigen Fermentationsmedium, während das Produkt erzeugt wird, so daß die Konzentration in dem Fermentationsmedium selbst kaum 2-3% (Gew./Vol.) überschreitet. Auf diese Weise erreicht die Ethanolkonzentration in dem wäßrigen Fermentationsmedium zu keiner Zeit den Wert von 11-12% (Gew./Vol.), bei dem eine Endprodukt-Hemmung zur Beendigung der Reaktion führt. Während der Fermentation erzeugtes Kohlendioxid trägt ebenfalls dazu bei, das Fermentationsmedium zu bewegen, während die Gasblasen zur Oberfläche aufperlen.
Da das Extraktionsmittel nur eine geringe Tendenz zur Bildung einer Emulsion mit dem Fermentationsmedium hat, ist die Schicht 14 im wesentlichen frei von wäßrigem Medium und kann durch den Auslaß 12 dekantiert werden. Luft und Kohlendioxid verlassen den Bioreaktor 10 ebenfalls durch diesen Auslaß 12. Das Extraktionsmittel, das das extrahierte Ethanol enthält, wird dann aufbereitet, so daß das Extraktionsmittel und Ethanol entfernt werden können, wie nachstehend beschrieben wird.
Hefezellen werden aus dem Bioreaktor mit dem wäßrigen Medium entfernt, aber die Entfernungsrate kann so vorgesehen werden, daß sie im wesentlichen die gleiche wie die Steigerung der Hefezellpopulation ist, während die Fermentation abläuft. Falls gewünscht, können aber die Hefezellen in dem aus dem Bioreaktor entfernten Medium im Kreislauf zum Bioreaktor 10 rückgeführt werden.
Da dem Bioreaktor 10 kontinuierlich Substrat und Sauerstoff zugeführt werden und das Produkt kontinuierlich entfernt wird, um eine Endprodukt-Hemmung oder eine Herabsetzung der Produktionsrate zu vermeiden, kann die Fermentation für unbegrenzte Zeit ablaufen.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Vorrichtung, die zum Abtrennen des Ethanols aus dem Extraktionsmittel verwendet werden kann. Fig. 2 zeigt eine Destilliervorrichtung 25 mit einem Extraktionsmittellösungseinlaß 26, einem oberen Auslaß 27 für das Ethanol und einem unteren Auslaß 28 für das Extraktionsmittel. Die Vorrichtung selbst ist bekannt, so daß keine Einzelheiten angegeben werden müssen.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 30 zum Abstreifen des Ethanolprodukts von dem Extraktionsmittel. Die Extraktionsmittel/Ethanol-Lösung tritt am Einlaß 31 ein und strömt durch die Vorrichtung abwärts zu einem Auslaß 32. Luft oder Kohlendioxid wird in die Vorrichtung durch einen Einlaß 33 am Boden der Vorrichtung eingeleitet und steigt in innigem Kontakt mit der nach unten strömenden Lösung aufwärts zu einem Auslaß 34 am Oberende der Vorrichtung. Die Luft oder das CO&sub2; entfernt das Ethanol in Form von Dampf aus der Extraktionsmittellösung.
Fig. 4 zeigt eine integrierte Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Ethanol durch Fermentation und Flüssig- Flüssig-Extraktion. Teile der Vorrichtung, die in den vorhergehenden Figuren gezeigt sind, sind gegebenenfalls mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Frisches Medium, das das Substrat enthält, wird durch eine Leitung 40 für wäßrigen Einsatz in den Bioreaktor 10 eingeleitet. Extraktionsmittel wird in das Unterende des Bioreaktors durch eine Extraktionsmittel-Einsatzleitung 41 eingeleitet, und das Extraktionsmittel/Ethanol/Wasser-Gemisch wird durch die Zuführleitung 42 abgezogen. Das abgetrennte Extraktionsmittel wird durch Leitung 44 zu der Extraktionsmitteleinsatzleitung 41 im Kreislauf rückgeführt, und das abgetrennte Ethanol/Wasser-Gemisch wird durch Leitung 45 einer Destillierkolonne zugeführt.
Das aus dem Bioreaktor 10 extrahierte Medium, das hauptsächlich ein Gemisch aus Ethanol und Wasser ist, wird einem Bierstripper 46 zugeführt, der dem Extraktionsmittel-Separator 30 gleicht. Das Gemisch wird in eine 50% Ethanol-Wasser-Lösung und eine Abwasserkomponente getrennt. Die Abwasserkomponente wird durch eine Leitung 47 abgeleitet, und die 50% Ethanollösung wird der Destillierkolonne 25 durch eine Leitung 48 zugeführt.
Die Ethanol-Destilliersäule trennt die ankommenden Chargen in azeotropes Ethanol, das durch eine Leitung 49 austritt, und Wasser, das durch eine Leitung 50 austritt.
Bei der vollständigen Umsetzung von konzentrierten Substrateinsätzen (> 300 g/l) ist eine gewisse Assoziation zwischen dem Extraktionsmittel und der Fermentationsbrühe unvermeidbar, weil die Brühe aufgrund der lebhaften Entwicklung von Kohlendioxid in das Extraktionsmittel mitgerissen wird. Diese Erscheinung kann zu einem bedeutsamen Verlust an Fermentationsbrühe in dem Extraktionsmittelstrom 42 führen, der den Bioreaktor verläßt, weil die ursprüngliche Wasserkonzentration in dem wäßrigen Einsatz 40 relativ gering ist, wenn konzentrierte Substrateinsätze verwendet werden. Es ist daher erwünscht, die Wassermenge in dem abfließenden Extraktionsmittelstrom 42 zu steuern.
Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung von Ethanol durch extraktive Fermentation unter Verwendung konzentrierter Substrateinsätze, wobei der abfließende Extraktionsmittelstrom 42 in einen Brüheseparator 51 eintritt und dort in einen Brühestrom 53 (der weitgehend aus Mikrobenzellen in Wasser besteht), der zum Bioreaktor 10 rückgeführt wird, und einen Extraktionsmittel/Ethanol/Wasserstrom 52 getrennt wird, der in dem Extraktionsmittel-Separator 30 weiter aufbereitet wird.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform des Brüheseparators 51 in Form eines Schwerkraftabscheiders, der eine Vielzahl von einzelnen Absitzkammern aufweist, die in Reihe jeweils untereinander angeordnet sind und in denen der Extraktionsmittel/Ethanol/Brühestrom 42 in einen Strom 53, der vom Unterende jeder Kammer extrahiert wird und weitgehend aus Fermentationsbrühe besteht, und einen Strom 52 getrennt wird, der als Überlaufstrom am oberen Ende jeder Kammer abgezogen wird und weitgehend aus Extraktionsmittel und Ethanol besteht. Der Trennwirkungsgrad dieser Vorrichtung ist durch die Größe und Anzahl (n) der einzelnen Absitzkammern sowie die Durchflußrate des Stroms 53, der zum Bioreaktor rückgeführt wird, bestimmt.
Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform des Brüheseparators 51 in Form einer Zentrifuge, in der der Extraktionsmittel/Ethanol/Brühestrom 42 in einen Strom 53, der weitgehend aus Fermentationsbrühe besteht, und einen Strom 52, der weitgehend aus Extraktionsmittel und Ethanol besteht, getrennt wird. Der Trennwirkungsgrad dieser Vorrichtung ist durch die Anlagengröße und die Rotation der Zentrifuge bestimmt.
Die Vorrichtung arbeitet somit kontinuierlich zur Herstellung von Ethanol, während sie gleichzeitig das Problem der Endprodukt-Hemmung vermeidet.

Beispiele

Wie oben gesagt, ist es ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß sie die Durchführung der Flüssig-Flüssig-Extraktion in situ in einem kontinuierlich arbeitenden Rührtank- Bioreaktor zuläßt.
Um die technischen und wirtschaftlichen Vorteile eines solchen Verfahrens zu zeigen, wurden verschiedene Experimente durchgeführt, die nachstehend beschrieben sind. Die in der Beschreibung dieser Experimente verwendeten Abkürzungen sind in der nachstehenden Nomenklatur aufgeführt:

Nomenklatur

Conv. Glukoseumsetzung = (So-S)/So*100
DENS Dichte, g/ml
DEtOH Ethanol-Verteilungskoeffizient, [EtOH)]s/[EtOH]a
Ds Extraktionsmittel-Verdünnungsrate = Fs/V, h&supmin;¹
Dw wäßrige Verdünnungsrate = Fw/V, h&supmin;¹
EE Extraktions-Wirkungsgrad = PDs/PDtot*100
Fs Extraktionsmittel-Durchflußrate, l/h
Fw Medium-Durchflußrate, l/h
Hvap latente Verdampfungswärme bei Normalsiedepunkt, cal/g
LD50 letale Dosis 50 = die Lösungsmitteldosis, die 50% einer Rattenpopulation tötet, in g Lösungsmittel/kg Ratte
MP Schmelzpunkt, ºC
NBP Normalsiedepunkt, ºC
Pw abfließende wäßrige Ethanolkonzentration, g/l
Ps abfließende Ethanolkonzentration in Lösungsmittel, g/l
PDa wäßrige Ethanol-Produktivität = Pw*Dw, g/l-h
PDs Extraktionsmittel-Ethanol-Produktivität = Ps*Ds, g/l-h
PDtot Gesamt-Ethanolproduktivität = PDa+PDs, g/l-h
So anfängliche Glukosekonzentration, g/l
S abfließende wäßrige Glukosekonzentration, g/l
V Arbeitsvolumen des Bioreaktors = Volumen der wäßrigen Phase
W abfließende wäßrige Zellkonzentration, g/l
Die verwendete Anlage entsprach der in Fig. 4 gezeigten.

Demonstration technischer Vorteile

Nachstehend sind Daten für zwei Experimente mit extraktiver Fermentation in situ eines Glukoseeinsatzes von 159 g/l zu Ethanol in einem kontinuierlich arbeitenden Rührtank-Bioreaktor mit einem Arbeitsvolumen von 1 Liter gezeigt. Der eingesetzte Mikroorganismus war die Hefe Saccharomyces cerevisiae NCYC 716. Die experimentellen Daten wurden mit Daten verglichen, die unter Verwendung eines erweiterten Computermodells erhalten wurden, das von den Autoren entwickelt wurde [Kollerup und Daugulis, Biotechnology & Bioengineering, Vol. 27, 1335-1346, Sept. 1985).
Die technische Durchführbarkeit der extraktiven Fermentation in einem kontinuierlich arbeitenden Rührtank-Bioreaktor sowie die Angemessenheit des Modells sind aus diesen Daten deutlich ersichtlich. Es ist besonders wichtig, die Verbesserung der Leistung des Systems zu erkennen, wenn es in dem extraktiven Fermentationsmodus arbeitet, gemessen als % Umsetzung und Gesamt-Ethanolproduktivität (PDtot). Experimentelle und vorhergesagte Leistungsdaten für die konventionelle und die extraktive Fermentation in einem kontinuierlich arbeitenden Rührtank-Bioreaktor Parameter Experiment Temperatur Rührgeschw. Betrieb herkömml. extraktiv

Demonstration der wirtschaftlichen Vorteile

Nachstehend wurden drei verschiedene Betriebsbedingungen eines kontinuierlich arbeitenden Rührtank-Bioreaktors bzw. CSTF in Betracht gezogen, und zwar (1) herkömmlicher CSTF mit 15% Glukoseeinsatz, (2) extraktiver CSTF mit 15% Glukoseeinsatz und (3) extraktiver CSTF mit 50% Glukoseeinsatz. Diese drei Bedingungen wurden mit dem vorgenannten Computermodell simuliert, weil das Modell ersichtlich mit experimentellen Daten gut übereinstimmte. Die wäßrige Verdünnungsrate unter den drei Bedingungen war die Verdünnungsrate, die die maximale Gesamt-Ethanolproduktivität ergibt. Simulierte Fermentationsdaten für drei verschiedene Betriebsbedingungen Parameter Betriebsbedingung Umsetzung
Angenäherte Stoffbilanzen wurden für die drei obigen Betriebsbedingungen berechnet, und die Kosten wurden projiziert auf der Basis von (i) Kosten für Vorbehandlung des Mediums und Abproduktaufbereitung, (ii) Kosten der Ethanolrückgewinnung und (iii) Kosten des Bioreaktors. Bei dieser Analyse wurde von den folgenden Annahmen ausgegangen:
- Die Kosten für Vorbehandlung des Mediums und Abproduktaufbereitung sind der Wassermenge in dem Medium bzw. in dem Abproduktstrom direkt proportional.
- Die Kosten der Ethanolrückgewinnung werden für die Destillierung zu azeotropem Ethanol (95 Gew.-%) aus der Kombination der Ströme aus Leitungen 43 und 45 berechnet. [Die Destillationsenergie wird dabei aus R. C. Righelato, "Anaerobic Fermentation: Alcohol Production", Trans Roy. Soc. London B, 290-303 (1980) entnommen.]
- Von den Bioreaktor-Kosten wird angenommen, daß sie (V)0,6 proportional sind, wobei V das Arbeitsvolumen des Bioreaktors ist. MIT VERSCHIEDENEN BETRIEBSBEDINGUNGEN VERBUNDENE KOSTEN Wasser in wäßrigem Einsatz Abwasser aus Bierabstreifer Gesamtwasser (Abw. + Vorbehandl.) W/P-Kosten relativ Ströme zu Ethanol-Destillierkolonne Wasser Ethanol gesamt (Destillierkol.-Einsatz) % Ethanol im Strom Destillationsenergie/Brutto-Ethanolverbrennungsenergie Destillierkosten relativ Bioreaktorvolumen Bioreaktorkosten relativ
Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, daß die extraktive Fermentation zu erheblichen Kosteneinsparungen führt, und zwar besonders dann, wenn konzentrierte Glukoseeinsätze fermentiert werden. Der Einsatz der Extraktionsmittel der Erfindung ermöglicht die praktische Durchführung der extraktiven Fermentation in einem CSTF.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Produkts durch Fermentation, wobei ein Mikroorganismus, der fähig ist, das Produkt herzustellen, in einem wäßrigen Fermentationsmedium in einem Fermentationsgefäß kultiviert und das Produkt in situ aus dem Medium entfernt wird, indem zumindest ein Teil des Mediums mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, die ein Extraktionsmittel für das Produkt ist, die aber mit dem wäßrigen Medium im wesentlichen nicht mischbar ist, wobei als Extraktionsmittel mindestens eine Verbindung verwendet wird, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus folgenden Verbindungen besteht:

(A) ungesättigten aliphatischen Alkoholen mit Doppelbindungen mit 12 oder mehr Kohlenstoffatomen;

(B) gesättigten verzweigtkettigen aliphatischen Alkoholen mit 14 oder mehr Kohlenstoffatomen oder Gemischen davon;

(C) ungesättigten aliphatischen Säuren mit Doppelbindungen mit 12 oder mehr Kohlenstoffatomen;

(D) aliphatischen und aromatischen Mono-, Di- oder Triestern mit 12 oder mehr Kohlenstoffatomen, die nicht Dibutylphthalat sind;

(E) aliphatischen nichtcyclischen Ketonen und aliphatischen Aldehyden mit 12 oder mehr Kohlenstoffatomen; und

(F) Gemischen aus Extraktionsmitteln aus den obigen Gruppen (A) bis (E) oder Gemischen aus mindestens einem der obigen Extraktionsmittel und mindestens einem weiteren Extraktionsmittel, das dem Mikroorganismus weder Toxizität verleiht noch stabile Emulsionen bildet.

2. Verfahren zur Herstellung eines Produkts durch Fermentation, wobei ein Mikroorganismus, der fähig ist, das Produkt herzustellen, in einem wäßrigen Fermentationsmedium in einem Fermentationsgefäß kultiviert und das Produkt aus dem Medium entfernt wird, indem zumindest ein Teil des Mediums außerhalb des Fermentationsgefäßes mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, die ein Extraktionsmittel für das Produkt ist, die aber mit dem wäßrigen Medium im wesentlichen nicht mischbar ist, wobei als Extraktionsmittel mindestens eine Verbindung verwendet wird, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus folgenden Verbindungen besteht:

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Extraktionsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus folgenden Verbindungen besteht: Oleylalkohol, Phytol, Isophytol, Isostearylalkohol, Isocetylalkohol, Octyldodecanol, Ölsäure, Linolsäure, Ricinusölsäure, Dodecylacetat, Butyldodecanoat, Dibutylsebacat, Di(2-ethylhexyl)sebacat, Dibutyladipat, Di(2-ethylhexyl)adipat, Di(2-ethylhexyl)phthalat, Di(3,5,5-trimethylhexyl)phthalat, Glycerintridecanoat, 2-dodecanon und Dodecanal.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei das Extraktionsmittel kontinuierlich in das Fermentationsgefäß eingeleitet und nach Kontakt mit dem wäßrigen Fermentationsmedium kontinuierlich daraus abgezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine wäßrige Lösung, die ein Substrat für den Mikroorganismus enthält, kontinuierlich in das Fermentationsgefäß eingeleitet wird und ungefähr die gleiche Menge des wäßrigen Fermentationsmediums kontinuierlich aus dem Fermentationsgefäß abgezogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Fermentationsgefäß ein kontinuierlich arbeitender Rührtank-Reaktor ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Mikroorganismus in dem Fermentationsmedium frei suspendiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Mikroorganismus in dem Fermentationsmedium immobilisiert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem, nachdem das Fermentationsmedium mit dem Extraktionsmittel in Kontakt gebracht worden ist, das Extraktionsmittel von dem Medium abgetrennt und einem Vorgang zum Abtrennen des Produkts von dem Extraktionsmittel unterworfen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Vorgang das Destillieren des Extraktionsmittels umfaßt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Vorgang das Abstreifen des Produkts von dem Extraktionsmittel durch Kontakt mit einem Gas, gefolgt von Kondensation des Produkts umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Medium, das in dem von dem Medium abgetrennten Extraktionsmittel mitgeführt wird, vor dem genannten Vorgang von dem Extraktionsmittel abgestreift wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das von dem Extraktionsmittel abgestreifte Medium zu einem Fermentationsgefäß, das das Fermentationsmedium enthält, im Kreislauf zurückgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei nach dem genannten Vorgang das Extraktionsmittel zum Kontakt mit dem Fermentationsmedium wiederverwendet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6 bis 14, wobei die Fermentation chargenweise durchgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6 bis 15, wobei die Fermentation mit einem Fed-Batch-Verfahren durchgeführt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der eingesetzte Mikroorganismus einer ist, der ein Produkt erzeugt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Antibiotika, Aceton/Butanol, Citronensäure, Polysacchariden und Ethanol besteht.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der eingesetzte Mikroorganismus einer ist, der Ethanol produziert.

19. Verfahren zum Herstellen eines Produkts, das fähig ist, von einem Mikroorganismus durch Fermentation gebildet zu werden, wobei das Verfahren folgendes aufweist:

- kontinuierliches Einleiten einer wäßrigen Lösung, die ein Substrat für den Mikroorganismus enthält, in einen kontinuierlich arbeitenden Rührtank-Reaktor, der ein wäßriges Fermentationsmedium und den Mikroorganismus in frei suspendierter Form enthält;

- kontinuierliches Abziehen des wäßrigen Fermentationsmediums aus dem Reaktor mit einer Rate, die im wesentlichen gleich der Einleitungsrate der Substratlösung ist;

- kontinuierliches Einleiten einer Flüssigkeit in den Reaktor, um fit dem Fermentationsmedium in Kontakt zu gelangen, wobei die Flüssigkeit ein Extraktionsmittel für das Produkt ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus folgenden Verbindungen besteht:

(F) Gemischen aus Extraktionsmitteln aus den obigen Gruppen (A) bis (E) oder Gemischen aus mindestens einem der obigen Extraktionsmittel und mindestens einem weiteren Extraktionsmittel, das dem Mikroorganismus weder Toxizität verleiht noch stabile Emulsionen bildet;

- kontinuierliches Abziehen der Flüssigkeit aus dem Reaktor nach dem Kontakt mit dem Fermentationsmedium mit einer Rate, die im wesentlichen gleich der Einleitungsrate der Flüssigkeit in den Reaktor ist; und

- Abtrennen des Produkts aus der Flüssigkeit, die von dem Reaktor abgezogen worden ist, und Zurückführen der verbleibenden Flüssigkeit im Kreislauf zu dem Reaktor zumindest als Teil der in diesen eingeleiteten Flüssigkeit.