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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entfernung von organischen Substanzen aus verdünnten Lösungen bzw. Suspensionen, insbesondere auf die Reinigung von mit organischen Substanzen belasteten Abwässern.
Die Reinigung dieser Abwässer erfolgt üblicherweise mit Hilfe des Belebtschlammverfahrens oder verschiedener Perkolations- oder Tauchkörpermethoden. Es handelt sich dabei um einen aeroben Abbau der organischen Substanz durch mikrobielle Mischpopulationen, insbesondere von Bakterien.
Der dabei anfallende Schlamm, der zur Hauptsache aus Bakterienmasse besteht, kann wohl als Dünger verwertet werden, bereitet aber Sorgen in der Eindickung und der Verteilung an die landwirtschaftlichen Betriebe und erzielt nur einen geringen Preis.
Organisch belastete industrielle und gewerbliche Abwässer weisen einen derart hohen"Biologi- schen Sauerstoffbedarf" (BSB) oder "Chemischen Sauerstoffbedarf" (CSB) auf, dass die üblichen Reinigungsverfahren sehr teuer werden.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, an Stelle der Bakterien Hefe zur Reinigung des Abwassers einzusetzen und diese Hefe im Abwasser aerob zu züchten ; hiebei wird die organische Substanz des Abwassers, als welche bisher ausschliesslich Zucker verwendet wurde, unter Bildung von Alkohol abgebaut. Als wesentlich wurde jedoch nicht die Alkoholproduktion, sondern die Vermehrung der Hefe angesehen, wobei insbesondere die Bildung von Eiweissstoffen aus zuckerhaltigen Abwässern als interessant angesehen wurde. Im Hinblick darauf jedoch, dass bisher die Trennung der gezüchteten
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losen Absetzung der Hefe führten) verbunden war, konnten sich die bekannten Verfahren in der Praxis nicht durchsetzen.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass man die Reinigung des Abwassers durch aerobe Züchtung von Hefe wesentlich vereinfachen kann, wenn man darauf achtet, dass man besondere, nämlich stark flockulierende, Hefearten verwendet. Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Entfernung von organischen Substanzen aus verdünnten Lösungen bzw. Suspensionen insbesondere zur Reinigung organisch belasteter Abwässer und Abläufe, wie z. B. Abläufe aus der Fabrikation von Zucker, Stärke, Gärungsalkohol, Zitronensäure, Erdölprodukten unter gleichzeitiger Gewinnung von wertvollen Klärschlämmen, indem diese Lösungen bzw.
Suspensionen einem Belebtschlammverfahren unter Zusatz von Mikroorganismen-Kulturen und unter Rückführung von in einem Sedimentationsbehälter abgesetztem Belebtschlamm in das Belebungsbecken unterzogen werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Lösungen bzw. Suspensionen vor oder während ihrer Behandlung im Belebungsbecken mit einer oder mehreren Heferassen, insbesondere der Gattung Candida, geimpft werden ; wobei diese Heferassen durch eine minimale Sinkgeschwindigkeit der Hefezellenaggregate von mindestens 10 mm pro min, gemessen in einem zylindrischen Gefäss eines Durchmesser :
Höhenverhältnisses von 1 : 7 mit mindestens 20 mm Innendurchmesser bei einer Hefekonzentration von 10 g Trockensubstanz pro Liter und einer Temperatur von 300C charakterisiert sind und dass im praktischen Betrieb die Verweilzeit des Belebtschlammes unter 60 min im Sedimentationsbehälter gehalten
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kontinuierlichem Betrieb ein der Bildung neuer Hefen entsprechender Teil des Belebtschlammes aus dem System abgeführt wird.
Vorzugsweise werden für das erfindungsgemässe Verfahren Hefestämme eingesetzt, die in der Kultursammlung des Institutes für angewandte Mikrobiologie der Hochschule für Bodenkultur, Wien, unter den Nr. 10112, 10142,10143, 10144,10145, 10146,10147, 10148,10149, 10150,10151 bzw. bei der Kultursammlung für Pilze und Hefen in Baarn unter den Nr. CBS 6628, CBS 6629, CBS 6630, CBS 6631, CBS 6632, CBS 6633, CBS 6634, CBS 6635, CBS 6636, CBS 6637, CBS 6638 registriert sind.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltene Hefe kann nach dem Trocknen in Form von Trockenhefe als eiweiss- und vitaminreicher Futtermittelzusatz oder als Nährhefe für menschliche Ernährung verwendet werden. In Anbetracht der Tatsache, dass die Hefeausbeute, gemessen an der Menge zugeführter organischer Substanz, so hoch oder gar höher sein kann wie in einer konventionellen Hefefabrikation (wo sie z.
B. 40 bis 50 Gew.-% Trockenhefe, bezogen auf das Substrat, beträgt, wenn die Hefe auf zuckerhaltiger Melasse gezüchtet wird), und dass weiter die Produktivität des Reaktionsgefässes (Hefetrockenmasse pro Volumen- und Zeiteinheit) beliebig
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hoch gewählt werden kann, d. h. ebenso hoch wie oder höher als in den bisher zur Hefeproduktion verwendeten Fermentoren, werden auf diese Weise keine Kosten bei der Reduzierung des BSB des
Abwassers anfallen, sondern es wird ein Gewinn erzielt. Dabei wird die organische Substanz bis zu 90% aus dem Abwasser entfernt.
Das Prinzip des Verfahrens besteht darin, eine stark flockulierende Hefe in Gegenwart geeig- neter Nährstoffe unter Belüftung und Rühren zu züchten, woduch die von der Hefe verwertbaren organischen Bestandteile teils oxydiert, teils assimiliert werden, die Hefe in einem sehr kleinen
Absetzbehälter von der flüssigen Phase getrennt wird, ein Teil der abgesetzten Hefe dem belüfteten
Fermentor zurückgeführt und die Überschusshefe gesammelt, gewaschen und getrocknet wird. Dieses
Verfahren ist nur dann ökonomisch realisierbar, wenn eine Hefe zur Verfügung steht, die genü- gend starke Flockulationsfähigkeit besitzt, damit die Flockulationsbehälter genügend klein dimen- sioniert werden können, und damit ein genügend hoher Trockensubstanzgehalt in der sedimentierten
Hefe erreicht wird.
Starke Flockulationsfähigkeit resuliert in hoher Absinkgeschwindigkeit dieser Hefeflocken im Vergleich zu solchen Heferassen, welche in disperser Form, d. h. einzellig oder als Hefeaggre- gate oder Sprossverbände von ein paar wenigen Zellen, vorliegen. Als hohe Absinkgeschwindigkeit kann man Werte von etwa 10 mm pro Minute ansehen. Diese Absetzgeschwindigkeit muss unter stan- dardisierten Bedingungen gemessen werden, inbesondere unter der Berücksichtigung von Hefekonzentrationen und Temperatur. Zur Bestimmung der Sedimentationsgeschwindigkeit wird ein zylindri- sches durchsichtiges Gefäss verwendet, welches in ein Wasserbad konstanter Temperatur eingetaucht ist.
Nachdem die Sedimentationsgeschwindigkeit mit fortschreitender Testzeit, d. h. mit zunehmender Hefekonzentration im Sediment abnimmt, wird als Kriterium die Anfangssedimentationsgeschwindigkeit bei einer Hefepopulationsdichte von 10 g Trockensubstanz pro Liter ermittelt. Zu diesem Zweck wird während der ersten 3 min in Abständen von 30 s die Sedimenthöhe der Hefesuspension bestimmt und durch graphische Extrapolation die Sedimentationsgeschwindigkeit zur Zeit Null ermittelt.
Bei stark flockulierenden Hefen bildet sich bei der Sedimentation eine eindeutige scharfe Grenzzone zwischen sedimentierter Hefe und Flüssigkeit aus.
Bei Sedimentationsgeschwindigkeiten von 10 mm pro Minute kann also eine rasche und problemlose Konzentrierung der Hefesuspension erreicht werden. Bei zu langen Verweilzeiten der Hefe im Sedimentationsbecken leidet die physiologische Aktivität der Hefe. Als obere Grenze dieser Verweilzeit wurden etwa 60 min erkannt, um eine problemlose kontinuierliche Züchtung der Hefe im Biomasse-Rezirkulationssystem zu gestatten.
Für die Abwasseraufarbeitung ist es zudem wesentlich, dass keine kostspieligen Vorbehandlungen notwendig sind. Beim vorliegenden Verfahren ist das der Fall. Das System ist derart unempfindlich gegen mikrobielle Kontamination und Infektion, dass die in der Hefefabrikation übliche Entkeimung des Züchtungsmediums entfallen kann.
Viele industrielle Abwässer besitzen von Haus aus Temperaturen, die für die Züchtung von Hefe nach bisherigen Ansichten zu hoch sind. Um die Kosten für die Kühlung der Fermentoren möglichst gering zu halten oder gar ausschalten zu können, ist die Züchtung einer wärmeliebenden (thermophilen) Hefe zweckmässig. Auch das ist nach dem vorliegenden Verfahren gelungen, indem
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Hefezüchtung bei 30 bis 32 C durchgeführt wird.
Im allgemeinen wurden für die oxydative Verwertung von organischen Substanzen vorzugsweise Vertreter der Hefegattung Candida eingesetzt. Zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens sind es, wie schon hervorgehoben, besonders ausgewählte Rassen, welche starke Flockulationsfähigkeiten aufweisen. Bei manchen Abwässern oder auch Lösungen von Zuckern ist die Zusammensetzung in bezug auf Nährstoffe insbesondere von Vitaminen sehr mangelhaft. Während die meisten Vertreter der Gattung Candida meistens ein oder mehrere Vitamine in ihrer Nährlösung benötigen und demnach für die Aufarbeitung vitaminarmer Lösungen oder Suspensionen oft ungeeignet sind, so zeigte sich, dass in diesen Fällen Vertreter der Art Saccharomyces kloeckerianus mit flockulierenden Eigenschaften wie oben beschrieben, in vorteilhafter Weise eingesetzt werden können.
Bei der Züchtung flockulierender Hefestämme, wie oben beschrieben, wird eine hohe Selektivität
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erzielt, d. h. die gleichzeitige Entwicklung von unerwünschten Bakterien wird sehr stark hintangehalten. Dies beruht auf der während mehreren Jahren gemachten Beobachtung, dass unter Bedingungen für optimale Vermehrung von Hefen praktisch keine aggregierenden (oder flockulierenden) Bakterien auftreten.
Nachdem aber flockulierende Hefen zum Einsatz gelangen und die aktive Biomasse-Konzentration im Belüftungsbecken hoch gehalten wird, so ist die Verweilzeit der im kontinuierlichen System zulaufenden Lösung oder Suspension im Belüftungsbecken sehr klein, kleiner als die Vermehrungsgeschwindigkeit der Bakterien unter den herrschenden Bedingungen, wozu insbesondere der Säuregrad (PH) im Belüftungsbecken in einem leicht sauren Bereich, u. zw. zwischen
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Die folgenden Beispiele sollen die Leistungsfähigkeit des Verfahrens illustrieren, obschon sich selbstverständlich der Anwendungsbereich nicht auf die hier genannten Bedingungen beschränkt.
Beispiel 1 : Zur Anwendung gelangte eine Hefe der Gattung Candida, die spezifisch für das vorliegende Verfahren isoliert wurde. Die zur Verhefung verwendete Zuckerlösung enthielt pro Liter 2, 9 g Saccharose, was einem CSB von zirka 2, 9 g Sauerstoffbedarf pro Liter entspricht. Ausser Mineralsalzen, die für das Wachstum der Hefen unerlässlich sind, wurden keinerlei Nährstoffe zugegeben, d. h. der vorliegende Hefestamm ist auch vitaminunabhängig. Diese Nährlösung, welche z. B. ein Abwasser einer Zuckerfabrik simuliert, wurde durch konstante Dosierung mit einer Rate von 3, 6 1 pro Sekunde einem Fermentor zugeführt, dessen Arbeitsvolumen konstant auf 3, 5 bis
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die Hefe mit genügend Sauerstoff versorgt werden konnte. Mittels Titrator wurde die Wasserstoffionenkonzentration konstant bei einem PH-Wert von 4, 2 gehalten.
Die Temperatur betrug 43 C.
Der Überlauf des Fermentors wurde in ein konisches Gefäss von zirka 150 ml Inhalt geführt, in welchem sich die Hefe sofort absetzt ; die klare Flüssigkeit wurde abgezogen. In kurzen Intervallen wurde dort sedimentierte Hefe dem Fermentor zurückgeführt, so dass eine Konzentration von 6, 5 bis 7, 6 g Hefe (als Trockensubstanz) pro Liter Fermentorfüllung aufrecht gehalten wurde.
Der Überschuss an gebildeter Hefe wurde periodisch gesammelt.
Die nach 48 h gebildete Hefetrockenmasse (Überschuss) betrug 265 g. Der CSB-Wert des klaren Ablaufs lag zwischen 200 und 400 mg pro Liter. Da die Gesamtzuckermenge, die innerhalb 48 h dem Fermentor zugeführt wurde, 580 g betrug, errechnet sich die Hefeausbeute zu mehr als 45%. Dieser Wert wird auch in der konventionellen kommerziellen Hefefabrikation bei 10fach höherer Zuckerkonzentration im Zulauf kaum überschritten. Die Produktivität des Fermentors errechnet sich zu zirka 1, 53 g Trockenhefe pro Stunde und Liter Fermentorfüllung. Es liegt auf der Hand, dass diese Produktivität fast beliebig erhöht werden kann, nachdem diese lediglich von der Menge rückgeführter Hefe, von der Dosiergeschwindigkeit der Nährlösung bzw. des Abwassers und von der Leistungsfähigkeit der Fermentors (d. h. dessen Sauerstoff-Übertragungskapazität) abhängt.
Wie ersichtlich, ist die hohe Ausbeute an Hefe und die gewünschte Produktivität des Fermentors auf die rasche Sedimentation der Hefe zurückzuführen. Es liegt auf Hand, dass der Einsatz von Zentrifugalseparatoren, wie sie in der Hefefabrikation üblich sind, zur Rückgewinnung der Hefe völlig unökonomisch ist. Die Flockulationsfähigkeit der verwendeten Hefe ist so gross, dass auch bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 7 cm pro Sekunde in Leitungen mit 4 mm Durchmesser keine Disintegration, sondern eine ständig ansteigende Kohärenz der Hefeflocken stattfindet. Dadurch sind auch Raumbelastungen der Sedimentationsbehälter von 30 m " h durchaus möglich.
Beispiel 2 : Der Versuch wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt. Die Konzentration der zu verhefenden Nährlösung wurde aber auf 1, 47 g Saccharose pro Liter eingestellt. Die Dichte der Hefe im Fermentor wurde zwischen 3, 3 und 5, 9 g Hefetrockensubstanz pro Liter aufrecht gehalten. Die Durchflussrate der Nährlösung im Fermentor betrug wieder 1 Volumeneinheit Nährlösung pro Volumeneinheit Fermentorfüllung und Stunde bei einer tatsächlichen Fermentorfüllung von 4 1. Die nach 48 h gebildete Menge an Überschusshefe betrug 216 g. Nachdem insgesamt zirka 283 g Zucker innerhalb der gleichen Zeit dem Fermentor zugeführt wurden, lässt sich die Hefeausbeute zu 76, 3% berechnen.
Es ist offensichtlich, dass dem angeführten Verfahren enorme verfahrenstechnische und somit
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ökonomische Vorteile anhaften. Nachdem bei unverminderter Fermentor-Produktivität die Hefeausbeu- ten beträchtlich höher sein können (s. Beispiel 2) als in der konventionellen Hefeproduktion bei höherer Substratkonzentration, lassen sich nun neue Prinzipien der Verfahrenstechnik für kommer- zielle Hefeproduktion unter einer Vielfalt von Bedingungen ableiten. Erstens ist es nunmehr mög- lich, ohne Entkeimung des Substrates zu arbeiten, wenn das dargelegte Prinzip der Verarbeitung niedriger Substratkonzentration mit gleichzeitiger Heferückführung zur Anwendung gelangt. Zweitens lässt sich die Konstanthaltung der Temperatur im Fermentor auf neuartige, aufwandslose Weise lösen.
Die Erklärung des letzten Punktes ist wie folgt : Bei der Produktion von 1 kg Trockenhefe werden etwa 4000 Kcal als Wärme abgegeben (der Betrag ändert sich etwas in Abhängigkeit vom erzielten Ausbeutekoeffizienten). Diese Wärme wird in konventioneller Hefeproduktion durch Kühlung mittels spezieller Einbauten, meist helecoid geformter Rohre, abgeführt.
Bei geringen Unterschieden zwischen Temperatur des Fermentors und der Kühlflüssigkeit (meistens
Wasser) ist das Ausmass dieser Einbauten (Wärmeübergangsfläche) entsprechend gross und kann die Charakteristiken des Fermentors bezüglich Sauerstofftransfer sehr beeinträchtigen. Ausserdem stellt die Errichtung dieser Wärmeübergangsfläche einen beträchtlichen Kostenpunkt dar.
Nach den hier dargelegten Prinzipien der Hefeproduktion ist es nun möglich, diese Kühlfläche vollständig oder nach Wunsch teilweise wegzulassen. Es genügt, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen Substrat und Züchtung besteht. Je nach der bestehenden Temperaturdifferenz wird nun die Substratkonzentration eingestellt. Als Beispiel sei eine Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und Fermentor bzw. zwischen Substratlösung und Fermentor von 50C gegeben. In konventioneller Arbeitsweise ist dann der Kühlwasserbedarf mittels Kühlschlangen zirka 800 l pro Kilogramm Trockenhefe. Diese Menge Wasser wird dabei um 5 C aufgewärmt.
Wird diese gleiche Menge Wasser nun in Form niedriger Substratkonzentrationen kombiniert mit Heferückführung zur Verhefung eingesetzt, so kann die in diesem Wasser herrschende Zuckerkonzentration 2, 5 g pro Liter betragen, wenn ein 50%iger Ausbeutekoeffizient erzielt wird. Es ist dabei grundsätzlich gleichgültig, ob mit einem hoch- oder schwachbelasteten Fermentor gearbeitet wird, denn die bei hochbelasteten Fermentoren auftretende erhöhte Wärmeabfuhr pro Zeiteinheit wird quantitativ durch eine entsprechend rasche Zufuhr kühleren Substrates gedeckt.
Zusammenfassend beinhaltet das erfindungsgemässe Verfahren nicht nur Neuerungen in der Aufarbeitung verschiedener organisch belasteter Abwässer sondern in der kommerziellen Hefeproduktion überhaupt. Einerseits ist das Verfahren vortrefflich für kleine Anlagen geeignet, nachdem es äusserst störungsunanfällig ist und die Hefe auf sehr einfache Art und Weise geerntet werden kann, anderseits ergeben sich beträchtliche Vorteile bei Grossanlagen, da neben der Störsicherheit auch die Abfuhr von Wärme aus Riesenfermentoren keine Schwierigkeiten darstellt.
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