DE102011087137A1

DE102011087137A1 - Verfahren zum Abtrennen von Mikroorganismen aus einer wässrigen Phase und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102011087137A1
Application number: DE102011087137A
Authority: DE
Inventors: Dr. Krüger Gerd; Rainer Dallwig
Original assignee: FIM BIOTECH GmbH; GMB GmbH
Current assignee: FIM BIOTECH GmbH; GMB GmbH
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-05-29
Also published as: WO2013076072A2; WO2013076072A3; EP2782992A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Mikroorganismen, insbesondere Mikroalgen, aus einer wässrigen Phase umfassend die Verfahrensschritte: a) Zugabe von mindestens einem Adsorptionsmittel, insbesondere ein physikalische Adsorptionsmittel, zur wässrigen, Mikroorganismen enthaltenden Phase und Vermischen, b) Sedimentation der gebildeten wässrigen Suspension aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel, und c) Abtrennung des Sediments aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Mikroorganismen aus einer wässrigen Phase gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Anspruch 10, eine Zusammensetzung herstellbar mit diesem Verfahren nach Anspruch 14 und die Verwendung dieser Zusammensetzung nach Anspruch 15.
Im Hintergrund der weltweiten Bemühungen um die Reduzierung der CO₂-Emissionen tritt deren stoffliche Nutzung immer mehr in den Vordergrund. Derzeit wird verstärkt untersucht, ob die Verstoffwechselung des von Kraftwerken freigesetzten CO₂ durch in den Meeren vorkommenden Organismen wie Algen, Phytoplankton oder Cyanobakterien mittels Photosynthese ein gangbarer Weg sein kann. Die genannten Organismen sind etwa für die Hälfte der globalen Kohlenstofffixierung durch Photosynthese verantwortlich, wobei der größte Teil des fixierten Kohlenstoffs über die marine Nahrungskette wieder in Form von CO₂ an die Atmosphäre zurückgegeben wird. Ein kleinerer Teil des gebundenen CO₂ wird jedoch am Meeresboden abgelagert.
Es ist bekannt, mit Hilfe von Mikroalgen – ein- bis wenigzelligen Algen – eine Biomasse unter Verwendung von Rauchgas zu erreichen. Mikroalgen wachsen ca. 10x schneller als Landpflanzen, wachsen in Salz-, Süß- und Abwasser und konkurrieren nicht mit landwirtschaftlich genutzter Fläche. Sie besitzen eine hohe Diversität: etwa 30000 beschriebene Arten haben daher eine großes Potential für unterschiedlichste Stoffe, die in der Mikroalge produziert werden können.
Bei derartigen Verfahren wird das im Rauchgas enthaltende CO₂ unmittelbar in der erhaltenden Biomasse fixiert. Das entschwefelte Rauchgas wird durch eine Lösung aus Mikroalgen geleitet, wodurch es zu einem exponentiellen Wachstum der Mikroalgen kommt. Bevorzugt wird diese Art der CO₂-Fixierung in einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt, wozu eine ständige Entnahme der gebildeten Biomasse und deren Weiterverarbeitung Vorraussetzung sind.
Die Ausbeute an Trockensubstanz an Biomasse beträgt je nach Optimierungsstufe des Verfahrens zwischen 0,3 und 0,8 Gew% Trockensubstanz. Dies bedeutet, dass eine Algensuspension zu 99,2 bis 99,7 Gew% aus Wasser besteht. Deshalb ist neben der Erhöhung der Algenkonzentration die Aufbereitungstechnik von wesentlicher Bedeutung. Durch die sehr kleine Größe der Mikroalgen von 5 bis 15 µm ist eine Filtration sehr schwierig und eine Zentrifugation sehr energieintensiv und damit sehr teuer. Schätzungsweise 85% der gesamten Herstellungskosten entfallen auf die Aufbereitungstechnik zum Trockenprodukt.
Je nach Verwendungsmöglichkeit der Mikroalgen wie z.B. für die Biomasseproduktion für Energieerzeugung, Proteine für Futtermittel, Feinchemikalien und Nahrungsmittel bis Pharma und Kosmetik ergeben sich Herstellerpreise von 1 €/kg, 10 €/kg und 100 €/kg. Diese hohen Preise haben bisher den massenhaften Einsatz von Algenprodukte insbesondere für Tierfutter verhindert. Nur durch eine starke Reduzierung der Aufbereitungskosten sind marktfähige Preise zu erzielen.
Neben Filtration und Zentrifugation sind weitere Möglichkeiten zur Abtrennung der produzierten Biomasse aus Mikroalgen aus dem Stand der Technik bekannt.
So wird in der DE 10 2009 030 712 A1 ein Verfahren zur Abtrennung von Mikroalgen beschrieben, bei welchem der erzeugten Biomasse magnetische Partikel zugesetzt werden und die mit den magnetischen Partikeln versehene Biomasse in einer magnetischen Separationsstufe abgeschieden wird. Eine weitere Verwendung der so abgeschiedenen Mikroalgen z.B. als Futtermittel scheidet aufgrund der enthaltenen magnetischen Partikel jedoch aus.
Aus der US 6,524,486 B2 ist die Verwendung u.a. von modifizierter Stärke als Ausflockungsmittel bekannt. Die mit Stärke versetzte Algensuspension wird einer Flotationskolonne zugeführt, in welcher es durch Einleitung von gelöstem Gas zur Ausbildung eines Algenschaums kommt, der anschließend abgetrennt wird. Dieses Verfahren ist jedoch für einen großtechnischen Ansatz zur Rauchgasbehandlung nicht geeignet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Abtrennung von Mikroalgen aus einer wässrigen Phase ermöglicht, das in einem großtechnischen Maßstab einsetzbar ist und gleichzeitig eine weitere Verwendung der gewonnen Mikroalgen z.B. als Futtermittel ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Abtrennung von Mikroorganismen, insbesondere Mikroalgen, aus einer wässrigen Phase bereitgestellt, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a) Zugabe von mindestens einem Adsorptionsmittel, insbesondere einem physikalischen Adsorptionsmittel, zur wässrigen Phase enthaltend Mikroorgansimen und Vermischen derselbigen,
b) Sedimentation der gebildeten wässrigen Suspension aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel, und
c) Abtrennung des Sediments aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel.

Die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende Idee besteht somit darin, die sich in einer wässrigen Phase befindlichen Mikroorganismen an geeigneten Adsorptionsmittel zu adsorbieren bzw. reversibel zu binden, um so eine schnelle und schonende Anreicherung oder Aufkonzentration der Mikroorganismen zu bewirken.
Allgemein sind Mikroorganismen mikroskopisch kleine Lebewesen bzw. Organismen, die als Einzelwesen mit bloßem Auge meist nicht erkennbar sind. Bei den Mikroorganismen handelt es sich überwiegend um Einzeller, auch einige Mehrzeller entsprechender Größe gehören dazu. Mikroorganismen kommen in verschiedenen Größenordnungen vor. Einige Mikroorganismen sind etwa für die Ernährung von Bedeutung, andere sind Erreger von Infektionskrankheiten.
Beispiele für Mikroorganismen sind Bakterien z. B. Milchsäurebakterien, Pilze z. B. Backhefe S. cerevisiae, Cyanobakterien (Blaualgen), mikroskopische Algen z. B. Chlorellen, die u. a. als Nahrungsergänzungsmittel verwendet werden, und Protozoen z. B. das Pantoffeltierchen und der Malaria-Erreger Plasmodium.
Von besonderer Bedeutung für das vorliegende Verfahren sind Mikroalgen, die für die menschliche und tierische Ernährung und Gesunderhaltung geeignet sind.
Zur Klasse der vorliegend bevorzugt verwendeten mikroskopischen Algen bzw. Mikroalgen zählt die umfangreiche Gruppe der Chlorella, wie Chlorella vulgaris, Chlorella angustoellipsoidea, Chlorella botryoides, Chlorella capsulata, Chlorella ellipsoidea, Chlorella emersonii, Chlorella fusca, Chlorella homosphaera, Chlorella luteo-viridis, Chlorella marina, Chlorella miniata, Chlorella minutissima, Chlorella mirabilis, Chlorella ovalis, Chlorella parasitica, Chlorella peruviana, Chlorella rugosa, Chlorella saccharophila, Chlorella salina, Chlorella spaerckii, Chlorella sphaerica, Chlorella stigmatophora, Chlorella subsphaerica, Chlorella trebouxioides.
Weitere bevorzugte Mikroalgen gehören der Gattung Pediastrum wie z.B. Pediastrum dupl, Pediastrum boryanum und der Gattung Botryococcus wie z.B. Botryococcus braunii an.
Im allgemeinen Sinn des vorliegenden Verfahrens ist als Adsorption ein physikalischer Prozess zu verstehen, bei dem Stoffe auf der Oberfläche eines anderen Stoffes haften bleiben und sich auf dessen Oberfläche anreichern. Die Kräfte, die die Anhaftung verursachen, sind keine chemischen Bindungen, sondern nur physikalische Kräfte. Daher wird diese Form der Adsorption exakter physikalische Adsorption oder Physisorption genannt. Der adsorbierte Stoff (Adsorbat) bildet jedoch mit der Oberfläche keine chemische Bindung aus, sondern haftet durch schwächere Kräfte ähnlich der Adhäsion. So treten in der Regel nur van der Waal'sche Kräfte auf. Die physikalische Adsorption ist reversibel.
Die chemische Adsorption (Chemosorption) ist hingegen durch eine chemische Bindung zwischen Adsorbens und Adsorbat gekennzeichnet, wobei es zur Bildung einer neuen chemischen Verbindung kommen kann. Chemosorption läuft langsamer als die physikalische Adsorption ab und ist nicht reversibel.
Für die Nutzung von Adsorptionsmittel insbesondere für die Physisorption ist deren Porenstruktur bzw. die vorhandene Reaktionsoberfläche der wichtigste Faktor. Um eine optimale Ausnutzung der Oberfläche oder der Adsorptionsplätze zu gewährleisten, sollte die Verteilung der Hohlräume maximal, die Wandstärke dagegen minimal sein. Deshalb werden die Porenstruktur und die zugängliche Oberfläche pro Masseneinheit oft als Qualitätskriterium für ein Adsorptionsmittel genutzt.
Daher kommen als Adsorbenzien insbesondere solche Stoffe zum Einsatz, die eine hohe spezifische Oberfläche bzw. hohe Porosität aufweisen wie beispielsweise Aktivkohle, Silicagel, Sepiolith, Zeolithe oder Bentonite. Diese können in Form von Schüttungen oder in strukturierter Form verwendet werden. Auf Grund ihrer sehr unterschiedlichen Ionenaufnahmekapazitäten ist ihre Anwendung von der konkreten Aufgabenstellung abhängig.
Entsprechend werden in einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens Adsorptionsmittel mit einer porösen Struktur und/oder eine Schichtstruktur verwendet.
Das Adsorptionsmittel mit einer porösen Struktur ist bevorzugterweise ausgewählt ist aus der Gruppe der Zeolithe.
Zeolithe sind kristalline Alumosilikate, die in zahlreichen Modifikationen in der Natur vorkommen, aber auch synthetisch hergestellt werden können. Mehr als 150 verschiedene Zeolithtypen sind synthetisiert worden, 48 natürlich vorkommende Zeolithe sind bekannt. Die natürlichen Zeolithe werden mineralogisch unter dem Begriff Zeolithgruppe zusammengefasst. Zeolithe bestehen aus einer mikroporösen Gerüststruktur aus AlO^– ₄ – und SiO₄-Tetraedern. Dabei sind die Aluminium- und Silicium-Atome untereinander durch Sauerstoffatome verbunden. Je nach Strukturtyp ergibt sich dadurch eine Struktur aus gleichförmigen Poren und/oder Kanälen, in denen Stoffe adsorbiert werden können. In der Natur ist dort in der Regel Wasser adsorbiert, das durch Erhitzen aus den Poren entfernt werden kann, ohne dass sich die Zeolithstruktur ändert. Zeolithe können damit gleichsam als Siebe verwendet werden, da nur Moleküle in den Poren adsorbieren, welche einen kleineren kinetischen Durchmesser besitzen als die Porenöffnungen der Zeolithstruktur. Zeolithe fallen daher auch in die Gruppe der Molekularsiebe.
Die Zusammensetzung der Stoffgruppe Zeolithe ist Mⁿ⁺x/n[(AlO₂)^– _x(SiO₂)_y]·zH₂O, wobei der Faktor n ist die Ladung des Kations M ist und meistens 1 oder 2 beträgt. M steht typischerweise für ein Kation eines Alkali- oder Erdalkalimetalls. Diese Kationen werden zum elektrischen Ladungsausgleich der negativ geladenen Aluminium-Tertraeder benötigt und nicht in das Haupt-Gitter des Kristalls eingebaut, sondern halten sich in Hohlräumen des Gitters auf – und sind daher auch leicht innerhalb des Gitters beweglich und auch im Nachhinein austauschbar. Der Faktor z gibt an, wie viele Wassermoleküle vom Kristall aufgenommen wurden. Zeolithe können Wasser und andere niedermolekulare Stoffe aufnehmen und beim Erhitzen wieder abgeben, ohne dass ihre Kristallstruktur dabei zerstört wird. Das molare Verhältnis von SiO₂ zu AlO₂ bzw. y/x in der Summenformel wird als Modul bezeichnet und kann nicht kleiner als 1 werden. Beispiele für synthetische Zeolithe sind Zeolith A, Zeolith X, Zeolith Y, Zeolith L, Mordenit, ZSM 5 oder ZSM 11.
Zeolithe haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten u.a. als Ionenaustauscher etwa zur Wasserenthärtung, EDTA-Ersatzstoff, Molekularsieb, Trockenmittel oder im selbstkühlenden Bierfass. Des Weiteren werden sie zur großtechnischen Herstellung von Waschmitteln benötigt. Zeolithe finden aber auch in industriellen Katalysatoren Verwendung und werden in Wärmespeicherheizungen verbaut. Zunehmend werden natürliche Zeolithe auch als Futterzusatzstoff verwendet, um eine positive Wirkung bei Durchfall und als Mykotoxinbinder zu erzielen.
Weitere poröse Substanzen, die als Adsorptionsmittel einsetzbar sind, sind Sepiolithe. Sepiolith ist ein eher seltenes Tonmineral aus der Gruppe der Silikate und chemisch gesehen ein hydratisiertes Magnesiumsilikat. Durch seine hohe Porosität ist es predistiniert für die Aufnahme von Flüssigkeiten. Die Teilchengrößenverteilung bewegt sich zwischen 50µm und 700µm.
Das Adsorptionsmittel mit einer Schichtstruktur ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der Tonmineralien, insbesondere der Schichtsilikate. Insbesondere werden dioktaedrische Dreischicht-Silikate mit einem mittleren Wasseraufnahmevermögen bevorzugt.
Tonmineralien werden in Abhängigkeit von der Schichtstruktur in verschiedene Gruppen eingeteilt. Dazu gehören die Gruppe der Kaolinite, Smektite, Illite und Chlorite.
Ein bekannter Vertreter der Tonmineralinen ist das Montmorillonit, welches als dioktaedrisches Dreischicht-Silikat mit Aufbau Tetraederschicht – Oktaederschicht – Tetraederschicht der Gruppe der Smektide angehört. Montmorrillonit ist ein Dreischicht-Silikat, welches ein großes Quellvermögen und Thixotropie aufweist. Im vollständig delaminierten Zustand kann er eine zugängliche Oberfläche von bis zu 750 m²/g erreichen. Er ist des Ionenaustausches und der chemischen und physikalischen Adsorption fähig. Die Adsorption erfolgt größtenteils über van-der-Waals-Kräfte und über Wasserstoffbrückenbindungen.
Die Bindung von organischen Substanzen an Montmorillonit vollzieht sich gewöhnlich durch mehrere Mechanismen unter Beteiligung der physikalischen Adsorption und Chemosorption. Kationische Substanzen werden bevorzugt gegen die im Montmorillonit enthaltenen Kationen ausgetauscht sowie mittels Chemosorption an das Montmorillonit gebunden. Diese Mechanismen sind vom pH-Wert gesteuert. Die Bindung von anionischen Substanzen an Montmorillonit erfolgt bevorzugt durch physikalische Adsorption, so dass die Substanz rasch freigesetzt werden kann. Nichtionische Substanzen werden häufig über van-der-Waals-Kräfte und Wasserstoffbrücken-Bindungen an den Montmorillonit gebunden.
Montmorillonit verfügt über eine bemerkenswerte Quellfähigkeit. Wasser bewirkt, dass sich die Zwischenschichtkationen durch Hydrathüllen aufbauen können. Der Quellvorgang wird als „interkristalline Quellung“ bezeichnet. Natrium-Montmorillonit kann das sechs- bis siebenfache seiner Trockenmasse an Flüssigkeit aufnehmen. In Gegenwart von noch geringen Mengen an Lösungsmittel bleiben die Schichten gut geordnet, steigt aber das Lösungsmittelangebot, so geht der Ordnungszustand zunehmend verloren.
Aufgrund der aufgezeigten physikochemischen Eigenschaften wird insbesondere Montmorillonit als pharmazeutischer Hilfsstoff und als bioaktiver Wirkstoff, insbesondere als Detoxifikans, verwendet. Auch können chemische Wirkstoffe gebunden und somit zur Arzneimittelzubereitung eingesetzt werden.
Bentonit, benannt nach der Benton-Formation, Fort Benton Montana, ist ein Gestein, das eine Mischung aus verschiedenen Tonmineralien ist und als wichtigsten Bestandteil Montmorillonit (60–80 %) enthält, was seine starke Wasseraufnahme- und Quellfähigkeit erklärt. Weitere Begleitmineralien sind Quarz, Glimmer, Feldspat, Pyrit oder auch Calcit. Es entsteht durch Verwitterung aus vulkanischer Asche.
Zunehmend werden Bentonite als Futterzusatzstoff eingesetzt speziell bei Durchfallerkrankungen bei Tieren und in einer besonderen Ausführungsform als Mykotoxinbinder. Mit einem sehr hohen Gehalt an Montmorillonit wird Bentonit auch in Mischungen mit Zeolithe und Pflanzenteile als Tierfutter eingesetzt.
Das Vermischen des Adsorptionsmittels und der sich in der wässrigen Phase befindlichen Mikroorganismen erfolgt bevorzugt unter Verwendung eines Rührwerkes, Ultraschall oder durch in der Mischung aufsteigende Luftblasen.
Durch das Vermischen von Adsorptionsmittel mit der die Mikroorganismen enthaltenden wässrigen Phase kommt es zur Ausbildung einer Suspension. Unter einer Suspension wird allgemein ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin fein verteilten Festkörpern verstanden. Eine Suspension ist eine grobdisperse Dispersion und tendiert zur Sedimentation und Phasentrennung.
Die sich der Suspensionsausbildung anschließende gravitationsbedingte Sedimentation wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch Einstellung des isoelektrischen Punktes der Suspension unterstützt. Die Einstellung des isolektrischen Punktes erfolgt bevorzugt mittels pH-Wertverschiebung durch Zugabe von Säure oder Base bis zum Erreichen des isoelektrischen Punktes, an dem die Ausflockung bzw. Sedimentation beginnt.
Der isoelektrische Punkt (IEP oder pI) ist üblicherweise der pH-Wert einer Lösung bei der die Anzahl von positiv geladenen Gruppen und negativ geladenen Gruppen einer Substanz gleich ist und somit die Summenladung der Substanz neutral ist. Liegt der pH-Wert unter dem isoelektrischen Punkt nimmt die Dissoziation der Säuregruppe ab und die Substanz trägt eine positive Summenladung. Liegt der pH-Wert darüber, nimmt die Dissoziation der Säuregruppe zu, und die Substanz trägt eine negative Summenladung.
Eine weitere Variante zur Unterstützung der Sedimentation der gebildeten wässrigen Suspension aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel besteht im Anlegen von Ultraschall.
Die Sedimentationsgeschwindigkeit ist darüber hinaus von geometrischen Faktoren der für die Adsorption und Sedimentation verwendeten Vorrichtung, den Eigenschaften des verwendeten Adsorptionsmittels und weiteren unterstützenden Maßnahmen abhängig und beträgt unter optimalen Bedingungen mindestens 10 min, bevorzugt mindestens 15 min.
Das Sediment aus auf dem Adsorptionsmittel adsorbierten Mikroorgansimen setzt sich als Feststoff ab, wobei das Ende des Absetzvorganges über die Trübung des wässrigen Überstandes photometrisch gemessen wird.
Das Mikroorganismen-Adsorptionsmittel-Sediment wird bevorzugt in Form eines Dickstoffgemisches mit einem Wassergehalt von ca. 50% in Schritt c) abgetrennt. Die Konzentration der Mikroorganismen, insbesondere der Mikroalgen wird durch die Kombination von Adsorption und anschließender Sedimentation um mindestens den Faktor 30, bevorzugt um den Faktor 50 erhöht.
Die Abtrennung des Sediments aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel vom wässrigen Überstand kann z.B. mittels Dekantieren oder anderen, einem Fachmann bekannten Abtrennverfahren vorgenommen werden. Der abgetrennte wässrige Überstand wird aufbereitet und der Produktion der Mikroorganismen wieder zugeführt.
In einer Variante des vorliegenden Verfahrens wird das in Schritt c) abgetrennte Sediment aus auf dem Adsorptionsmittel adsorbierten Mikroorganismen in einem weiteren Schritt d) mittels Ultraschall behandelt. Die Ultraschallbehandlung in diesem Schritt bewirkt zum einen eine Homogenisierung des abgetrennten Sediments und zum anderen einen Zellaufschluss der Mikroorganismen wie z.B. der Mikroalgen zur Freisetzung von darin enthaltenden bioaktiven Stoffen. Die so frei gesetzten bioaktiven Stoffe können ebenfalls von dem Adsorptionsmittel adsorbiert werden bzw. docken am verwendeten Adsorptionsmittel an und werden dadurch im sich anschließenden Trocknungsprozess geschützt.
Entsprechend wird das gemäß Schritt c) abgetrennte Algen-Adsorptionsmittel-Sediment und/oder gemäß Schritt d) mittels Ultraschall behandelte Algen-Adsorptionsmittel-Sediment bevorzugterweise in einem Trocknungsschritt getrocknet. Die Trocknung kann mittels an sich bekannter Verfahren wie Sprühtrocknung, Bandtrockner oder im Trockenschrank durchgeführt werden.
Von den verschiedenen Trocknungsverfahren hat sich die Sprühtrocknung als besonders geeignet herausgestellt. Die hochkonzentrierte z.B. 50%ige Algen-Mineral-Suspension ist pumpfähig und kann dem Trocknungsapparat zugeführt werden. Durch das Eindüsen entsteht eine hohe Trocknungsoberfläche, die eine außerordentlich schnelle und schonende Trocknung gewährleistet. Beim Trocknen kontrahiert das Mineral, insbesondere das gequollene Tonmineral, und schließt die aufgeschlossenen Bestandteile der Mikroorganismen, insbesondere der Mikroalgen durch Bildung von Granulaten ein.
Die Trocknung erfolgt bevorzugterweise bis zu einer Endfeuchte des Mikroorganismen-Adsorptionsmittel-Sedimentes von etwa 5 bis 15% H₂O-Gehalt, insbesondere von 6 bis 9% H₂O-Gehalt.
Durch den Trocknungsvorgang wird das Wasser aus dem Adsorptionsmittel, wie z.B. den Schichtzwischenräumen von Tonmineralien entfernt und die bioaktiven Stoffe, die nicht durch physikalische Adsorption akkumuliert wurden, durch einen formschlüssigen Verbund gebunden. Es entsteht ein reversibles, biomineralisches Verbundsystem. In Folge der Adsorption und Trocknung wird ein stoff- und formschlüssiger Verbund zwischen den Teilchen des Minerals und den adsorbierten und eingeschlossenen bioaktiven Stoffen der Mikroorganismen hergestellt.
Es kommt dabei zur Ausbildung von reversiblen Aggregaten, die durch Zugabe eines geeigneten Lösungsmittels, insbesondere von Wasser, in Dispersion gebracht bzw. desaggregiert werden können.
Das getrocknete Sediment aus Mikroorganismen wie z.B. Mikroalgen und Adsorptionsmittel, wie z.B. Tonmineral, aufgeschlossen oder nicht-aufgeschlossen, kann anschließend verpackt und versand werden.
Die mittels des vorliegenden Verfahrens hergestellte Zusammensetzung aus Mikroorgansimen, insbesondere Mikroalgen, und mindestens einem Adsorptionsmittel sind zur Herstellung von Futtermitteln, Nahrungsergänzungsmitteln und/oder pharmakologisch wirksamen Mitteln einsetzbar.
Das vorliegende Verfahren wird bevorzugterweise in einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 durchgeführt.
Entsprechend umfasst die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Abtrennen von Mikroorganismen aus einer wässrigen Phase mindestens zwei miteinander gekoppelte Abschnitte, wobei ein erster Abschnitt bezogen auf die Gravitationsrichtung oberhalb des zweiten Abschnitt angeordnet ist. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt können einstückig miteinander z.B. in Form eines Reaktors ausgebildet sein oder können auch räumlich getrennt voneinander z.B. in Form von zwei separaten Behältern angeordnet sein.
Der mindestens erste Abschnitt besteht aus mindestens einem Behälter zur Aufnahme der wässrigen die Mikroorgansimen enthaltenden Phase und des mindestens einen Adsorptionsmittels, und der mindestens zweite Abschnitt besteht aus mindestens einer Röhre zur Sedimentation der im ersten Bereich gebildeten wässrigen Suspension aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel.
In einer Variante weist der erste Abschnitt in Form eines Behälters mindestens einen Zulauf für die wässrige, die Mikroorganismen enthaltende Phase, mindestens eine Öffnung zur Zugabe des Adsorptionsmittels und ggf. mindestens ein Rührwerk auf. In diesem Behälter können somit das Mischen der Biomasse aus Mikroorganismen mit dem Adsorptionsmittel sowie die pH-Werteinstellung zum Erreichen des isoelektrischen Punktes der Suspension und zum Beginn der Sedimentation erfolgen. Dieser erste Abschnitt wird auch turbulente Durchmischungszone genannt.
In einer weiteren Variante umfasst der zweite Abschnitt der Vorrichtung ein Röhrensystem aus mindestens 2 Röhren, bevorzugt aus 2 bis 10 Röhren, insbesondere bevorzugt aus 2 bis 5 Röhren. Das Röhrensystem ermöglicht eine laminare Sedimentation, so dass die Sedimentation des mit den Mikroorganismen behafteten Adsorptionsmittels frei von Strömungseinflüssen ist und am Boden der jeweiligen Röhren des Röhrensystems erfolgt. Der zweite Abschnitt kann somit in eine laminare Absetzzone und in eine Verdichtungszone aufgeteilt werden.
Darüber hinaus kann die vorliegende Vorrichtung einen mit dem zweiten Abschnitt, d.h. dem Röhrensystem gekoppelten dritten Abschnitt zur Entnahme des am Boden des zweiten Abschnitts angesammelten Mikroorganismen-Adsorptionsmittel-Sedimentes in Form einer Entnahmekammer aufweisen. Die Entnahmekammer weist eine zur Entnahme des Sedimentes geeignete Öffnung z.B. in Form eines Ventilhahnes auf, die manuell oder photometrisch gesteuert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figur näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung 1 in Form eines Absetzapparates geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 1 umfasst zwei miteinander gekoppelte Abschnitte 2, 3, wobei der erste Abschnitt 2 bezogen auf die Gravitationsrichtung oberhalb des zweiten Abschnitts 3 angeordnet ist.
Der erste Abschnitt 2 besteht aus mindestens einem zylindrischen Behälters zur Aufnahme der wässrigen, Mikroalgen enthaltenden Phase 4 und eines Tonminerals 5 als Adsorptionsmittels. Der zweite Abschnitt 3 besteht aus einem Röhrensystem aus fünf parallel zueinander verlaufenden Röhren zur Sedimentation der im ersten Bereich 2 gebildeten wässrigen Suspension aus Mikroalgen und Tonmineral.
Der erste Abschnitt 2 in Form eines zylindrischen Behälters weist einen Zulauf für die mikroalgenhaltige wässrige Phase 4 und eine Öffnung in Form einer Schüttöffnung zur Zugabe des Tonminerals 5 auf.
Darüber hinaus verfügt der Behälter 2 in der Ausführungsform der 1 über ein Rührwerk 6. Im Behälter 2 erfolgen somit das Mischen der Biomasse aus Mikroalgen und Tonmineral sowie die pH-Werteinstellung zum Erreichen des isoelektrischen Punktes der Suspension. Dieser Bereich kann auch als turbulente Durchmischungszone angesehen werden.
Nach Einstellung des geeigneten isoelektrischen Punktes beginnt unmittelbar die gravitationsgesteuerte Sedimentation von auf dem Tonmineral 5 adsorbierten Mikroalgen 4 in den Röhren des Röhrensystems 3. Das Röhrensystem ermöglicht eine laminare Sedimentation, so dass die Sedimentation des mit den Mikroalgen behafteten Adsorptionsmittels in der laminaren Absetzzone 3b frei von Strömungseinflüssen ist.
Das sich in der Verdichtungszone 7 im unteren Bereich des Röhrensystems 3 abgesetzte Sediment wird in einer an das Röhrensystem 3 gekoppelten Entnahmekammer 8 aus der Vorrichtung 1 entnommen. Die Entnahmekammer 8 weist eine zur Entnahme des Sedimentes geeignete Öffnung z.B. in Form eines Ventilhahnes auf, die manuell oder photometrisch gesteuert werden kann.
Ausführungsbeispiel
Eine wässrige Phase mit einem Mikroalgenbiomasseanteil von 0,3% wird mit 9–12 kg Tonmehl pro 1.000 Liter Algenbiomasse versetzt und unter Verwendung eines Rührwerkes intensiv miteinander im Prozessbehälter 2 des Absetzapparates 1 vermischt. Die so entstandene Suspension aus Mikroalgen und Tonmehl wird danach im Ruhezustand seinen Feststoffanteil aus Mikroalgen und Ton sedimentieren. Der Feststoff sedimentiert in den Röhren 3 unterhalb des Prozessbehälters 2, wobei es nicht darauf ankommt, dass alle Röhren gleich viel Feststoff aufnehmen. Wichtig ist, dass das Sedimentieren frei von Strömung erfolgen kann.
Der Prozess des Sedimentierens kann als abgeschlossen gelten, wenn der Feststoff sich in Form eines Dickstoffgemischs am Fuße der Röhren gesammelt hat und im oberen Bereich nur noch eine leichte Trübung zu messen ist.
Der Dickstoff aus Mikroalgen und Ton wird aus der Entnahmekammer 8 der Absetzapparatur 1 über einen Ventilhahn entnommen und weist eine Feuchtigkeit von rund 50% H₂O auf.
Die weitere Verarbeitung erfolgt mittels Sprühtrocknung bei einer kurzzeitigen Trocknungstemperatur von bis zu 185°C. Die getrocknete Zusammensetzung wird anschließend pelletisiert.
Bei Einsatz von einer Ausgangsmasse an Mikroalgen mit einem Feststoffanteil von 0,3 % ergeben sich so 3 kg Algentrockenmasse pro 1000 l Algenbiomasse und bei Zugabe von 9–12 kg Tonmehl pro 1000 l Algenbiomasse ergeben sich 12–15 kg Trockenmasse des Wirkstoffgemisches.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009030712 A1 [0008]
US 6524486 B2 [0009]

Claims

Verfahren zum Abtrennen von Mikroorganismen, insbesondere Mikroalgen, aus einer wässrigen Phase gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte a) Zugabe von mindestens einem Adsorptionsmittel, insbesondere einem physikalischen Adsorptionsmittel, zur wässrigen, Mikroorganismen enthaltenden Phase und Vermischen derselbigen, b) Sedimentation der gebildeten wässrigen Suspension aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel, und c) Abtrennung des Sediments aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Adsorptionsmittel eine poröse Struktur und/oder eine Schichtstruktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Adsorptionsmittel mit einer porösen Struktur ausgewählt ist aus der Gruppe der Zeolithe.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Adsorptionsmittel mit einer Schichtstruktur ausgewählt ist aus der Gruppe der Tonmineralien, insbesondere der Schichtsilikate.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentation der gebildeten wässrigen Suspension aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel in Schritt b) durch Einstellung des isoelektrischen Punktes der Suspension unterstützt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentation der gebildeten wässrigen Suspension aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel in Schritt b) durch Anlegen von Ultraschall unterstützt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroorganismen-Adsorptionsmittel-Sediment in Form eines Dickstoffgemisches mit einem Wassergehalt von 50% in Schritt c) abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt c) abgetrennte Mikroorganismen-Adsorptionsmittel-Sediment in einem weiteren Schritt d) mittels Ultraschall behandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Schritt c) abgetrennte Mikroorganismen-Adsorptionsmittel-Sediment und/oder gemäß Schritt d) mittels Ultraschall behandelte Mikroorganismen-Adsorptionsmittel-Sediment getrocknet wird.
Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens mit den Verfahrensschritten nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend – mindestens zwei miteinander gekoppelte Abschnitte (2, 3), wobei der erste Abschnitt (2) bezogen auf die Gravitationsrichtung oberhalb des zweiten Abschnitt (3) angeordnet ist, und wobei – der mindestens erste Abschnitt (2) aus mindestens einem Behälter zur Aufnahme der wässrigen, Mikroorganismen enthaltenden Phase (4) und des mindestens einem Adsorptionsmittel (5) besteht, und – der mindestens zweite Abschnitt (3) aus mindestens einer Röhre (3a) zur Sedimentation der im ersten Bereich (2) gebildeten wässrigen Suspension aus Mikroorganismen und Adsorptionsmittel besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Abschnitte (2, 3) einstückig oder räumlich getrennt voneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (3) aus mindestens einer Röhre (3a) in mindestens eine laminare Absetzzone (3b) und eine Verdichtungszone (7) unterteilt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (2) als turbulente Durchmischungszone mindestens einen Zulauf für die wässrige, Mikroorganismen enthaltende Phase (4), mindestens eine Öffnung zur Zugabe des Adsorptionsmittels (5) und ggf. mindestens ein Rührwerk (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (3) ein Röhrensystem aus mindestens 2 Röhren, bevorzugt aus 2 bis 10 Röhren, insbesondere bevorzugt aus 2 bis 5 Röhren umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch einen mit dem zweiten Abschnitt (3) gekoppelten dritten Abschnitt (8) zur Entnahme des im zweiten Abschnitt (3) gebildeten Mikroorganismen-Adsorptionsmittel-Sedimentes.
Zusammensetzung aus Mikroorganismen, insbesondere Mikroalgen, und mindestens einem Adsorptionsmittel hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verwendung einer Zusammensetzung aus Mikroorganismen, insbesondere Mikroalgen, und mindestens einem Adsorptionsmittel nach Anspruch 16 zur Herstellung von Futtermitteln, Nahrungsergänzungsmitteln und/oder pharmakologisch wirksamen Mitteln.