DE19604700C1

DE19604700C1 - Verfahren zur Separierung organischer Säuren aus einem Fermentationsmedium

Info

Publication number: DE19604700C1
Application number: DE19604700A
Authority: DE
Inventors: Karl W Dr Boeddeker; Christian Schorm; Dario Dr Windmoeller
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2016-02-10
Also published as: WO1997029203A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Separierung organischer Säuren aus einem in einer Fermentationsein richtung befindlichen Fermentationsmedium, wobei das Fermentationsmedium auf eine Membraneinrichtung geführt wird, in der die im Fermentationsmedium enthaltene Säure separiert wird.

Die Gewinnung organischer Säuren aus verdünnten wäßrigen Lösungen ist mit herkömmlichen Methoden wie der Destillation, der Rektifikation, der Flüssig-Flüs sig-Extraktion und ähnlichen Verfahren prozeßtechnisch sehr aufwendig bzw. bei komplexen Ausgangsgemischen häufig sehr unselektiv. Keines der herkömmlichen Ver fahren kann überdies mit einem aktiven Fermentations prozeß gekoppelt werden. Gerade bei biologischen Produktionsverfahren verringert sich jedoch häufig die Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen mit zunehmen der Säurekonzentration im Reaktor. Aufgrund dieser Eigenschaft wird die Produktivität und die maximal erreichbaren Zell- und Produktkonzentrationen durch die mikrobiell produzierten organischen Säuren limitiert. Beispiele für biologische Verfahren mit Produkthemmung durch Säuren sind u. a. Essigsäure-Fermentation mit Acetobacter aceti, die fermentative Milchsäuregewinnung mit Lactobacillus casei und die Vitamin B₁₂-Gewinnung mit Propionsäurebakterien.

Zur Gewinnung der produzierten Säuren und parallel auftretender Stoffwechselprodukte sind aufgrund der geringen Produktkonzentrationen in der Regel eine Reihe von Verfahrensschritten nötig, die die fermentative Stoffgewinnung im Vergleich mit chemischen Syntheseme thoden sehr zeit- und kostenintensiv werden lassen. Die Nachteile, die mit der Produkthemmung verbunden sind, werden bisher weitgehend hingenommen bzw. durch Zugabe pH-regelnder Reagenzien nur unzureichend vermindert oder durch ein vergrößertes Reaktionsvolumen kompensiert.

Um die Hemmung des mikrobiellen Wachstums in einem Fermentationsprozeß durch Säuren zu vermindern und die Produktbildung zu forcieren, sind neuerdings Elektro dialyseverfahren vorgeschlagen worden, die auch mit einem aktiven Bioreaktor betrieben werden können. Mittels Elektrodialyse werden die Säuren dem Reaktorme dium entzogen und in einen zweiten Flüssigkeitskreislauf überführt. Die säureabgereichte Lösung wird anschließend dem Reaktor wieder zugeführt. Sowohl bezüglich der Wirksamkeit als auch des Verfahrensaufwandes hat dieses Verfahren schwerwiegende Nachteile. Zum einen weisen die Ionenaustauschermembranen eine Durchlässigkeit für Protonen bzw. Säuremoleküle auf, die deren Anreicherung im Dialysatstrom, d. h. Abreicherung im Reaktormedium, eine Grenze setzen (begrenzte Selektivität). Zum anderen hat das elektrische Feld in der Elektrodialyseeinheit im allgemeinen einen negativen Einfluß auf die Mikroorga nismen, so daß vor der Elektrodialyse die Mikroorganis men durch eine Filtereinheit, die beispielsweise nach dem Prinzip der Ultrafiltration oder der Mikrofiltration betrieben wird, abgetrennt und dem Reaktor wieder zugeführt werden müssen (zellfreies Medium). Mit der Elektrodialyse kann die Produktivität von Bioprozessen zwar verbessert werden, jedoch mit beschränktem Wir kungsgrad und unter Inkaufnahme einer aufwendigen Anlagenkonzeption mit zwei hintereinandergeschalteten Membranverfahren (1. Abtrennung der Mikroorganismen, 2. Elektrodialyse) und entsprechend hohen Kosten für die Investition und das Betreiben derartiger Anlagen.

Grundsätzlich ist es bekannt, organische Säuren auch mittels der sogenannten Donnan-Dialyse abzutrennen (Derwent-Abstrakt C87-119323).

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die erheblichen Nachteile bisheriger Verfahren dieser Art nicht hat, das einfach und sehr wirksam und mit hoher Selektivität durchführbar ist und das im Vergleich zu bisherigen Verfahren dieser Art kostengünstig durch führbar ist.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Membraneinrichtung nach dem Prinzip der Donnan- Dialyse mit Anionenaustauschermembranen betrieben wird, wobei das Fermentationsmedium (Zulauf) nach Art eines Kreislaufs längs der Zufuhrseite der Membraneinrichtung geführt wird und längs der Abführseite der Membranein richtung nach Art eines Kreislaufs ein alkalisches Dialysat geführt wird, welches durch Zugabe von Basen auf einen alkalischen pH-Wert eingestellt ist.

In einem solchen bi-ionischen System durchqueren Ionen gleichen Ladungssinnes (Anionen) in entgegengesetzter Richtung die Anionenaustauschermembranen: die Säurean ionen aus dem Reaktormedium in das Dialysat (wo sie in Form des Salzes der jeweiligen Säure gewonnen werden können), die Hydroxidionen aus dem Dialysat in das Reaktormedium (wog sie die Protonen der Säure augen blicklich zu Wasser neutralisieren). Die bei der Elek trodialyse nachteilige Protonendurchlässigkeit der Membranen wirkt bei der hier beschriebenen Donnan- Dialyse in die gewünschte Richtung, indem sie zum vollständigen Austrag der Säuren beiträgt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen im wesentlichen darin, daß durch die Donnan-Dialyse und des mit ihr gekoppelten Bioprozesses gegenüber den bishe rigen Elektrodialyseverfahren der apparative Aufwand und der Energiebedarf erheblich reduziert werden können. Zur Erhöhung der Produktivität des Bioprozesses, auch hinsichtlich der gebildeten Säuren, trägt bei, daß das erfindungsgemäße Verfahren einen vollständigen Austrag der Säuren gestattet, und daß darüber hinaus die Säuren (in Form der entsprechenden Salze) im Dialysat angerei chert werden können.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrenskombination ist, daß die Geschwindigkeit des Säureaustrags aus dem Bioprozeß durch Einstellung des pH-Wertes (der Basenkonzentration) im Dialysatkreislauf kontrollierbar ist. Im Sinne der Erfindung ist die über die Membraneinrichtung dem Fermentationsmedium entzogene Säuremenge pro Zeiteinheit derart steuerbar, daß im Fermentationsmedium durch die darin enthaltenen Mikro organismen einerseits ein Maximum an Säure produziert wird, und andererseits ein Maximum-an Mikroorganismen im Fermentationsmedium selbst entsteht. Mit einer derar tigen vorteilhaften Verfahrenssteuerung wird dem Umstand Rechnung getragen, daß an sich die Säuremenge, die von den Mikroorganismen im Fermentationsmedium erzeugt wird, d. h. Säurekonzentration im Verlauf der Fermentation, einen maximalen Wert erreicht, der der Zellteilung der Mikroorganismen dann gegenläufig ist, wobei mit der vorgeschlagenen Verfahrensführung die Säurekonzentration durch Entzug der Säure immer derart groß gehalten wird, daß ein Maximum an sich neu bildenden Mikroorganismen, die die Säure erzeugen, aufrechterhalten wird.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beige fügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles eingehend beschrieben. Das Beispiel betrifft die intra zelluläre Bildung von Vitamin B₁₂ bei gleichzeitiger extrazellulärer Bildung von Propionsäure durch Propioni bakterien. Im folgenden zeigen:

Fig. 1 in Form eines Blockschaltbildes den schema tischen Aufbau einer Anordnung zur Ausführung des Verfahrens,

Fig. 2 in graphischer Darstellung den Verlauf einer Vitamin-B₁₂-Fermentation vor (< 185 h) und nach (< 185 h) der Zuschaltung der Donnan-Dialyse,

Fig. 3 in graphischer Darstellung den Verlauf einer Vitamin B₁₂-Fermentation mit wachstumsabhän giger Donnan-Dialyse: im Vergleich zur Dar stellung von Fig. 2 erfolgte der Einsatz der Donnan-Dialyse periodisch jeweils vor dem signifikanten Absterben der Mikroorganismen.

Unter Bezugnahme auf das in Fig. 1 dargestellte Block schaltbild einer Anordnung 10 zur Ausführung des Ver fahrens wird der prinzipielle Aufbau einer derartigen Anordnung 10 beschrieben.

Diese umfaßt wenigstens eine Fermentationseinrichtung 11, in der ein Fermentationsmedium 12 enthalten ist, auf das eingehender noch weiter unten eingegangen wird. Die Fermentationseinrichtung 11 ist mit der Zufuhrseite 15 einer nach dem Prinzip der Donnan-Dialyse arbeitenden Membraneinrichtung 13 verbunden, wobei von der Zufuhr seite 15 wiederum eine Verbindung zur Fermentationsein richtung 11 vorgesehen ist, über die das säureabgerei cherte Fermentationsmedium 12 in die Fermentations einrichtung 11 zurückgeführt wird.

Die Abfuhrseite 16 der Membraneinrichtung 13 ist mit einem Behälter 27 bzw. Einrichtung verbunden, in der ein alkalisches Dialysat 17 aufgenommen wird. Das Dialysat 17 wird über eine Verbindung auf die Abführseite 16 der Membraneinrichtung 13 geführt, wobei das säure- bzw. salzangereicherte Dialysat 17 wiederum von der Abführseite 16 der Membraneinrichtung 13 zurück in den Behälter 27 geführt wird.

Der Transport des Fermentationsmediums 12 von der Fermentationseinrichtung 11 zur Membraneinrichtung 13 und der Transport des Dialysats 17 vom Behälter 27 zur Membraneinrichtung 13 wird durch jeweilige Pumpen 24, 25 ausgeführt, die geeignet gesteuert werden, was in Fig. 1 mittels der gestrichelten Linien dargestellt ist, die mit einer Erfassungs- und Steuereinrichtung 26 verbunden sind, auf die noch weiter unten eingegangen wird.

Sowohl der Behälter 27 mit dem Dialysat 17 als auch die Fermentationseinrichtung 11 mit dem Fermentationsmedium 12 können geeignet durch jeweils damit verbundene Temperierungseinrichtungen 20, 21 temperiert werden, wobei die Temperatur in den jeweiligen Medien durch die Erfassungs- und Steuereinrichtung 26 gesteuert werden kann, was durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 sche matisch dargestellt ist.

Die Fermentationseinrichtung 11 ist zudem noch mit Behältern verbunden, in denen Neutralisationsmittel 18, 19 enthalten sind, beispielsweise im einen Phosphorsäu re, im anderen Ammoniaklösung, um den pH-Wert des Fermentationsmediums 12 einzustellen, der durch die pH-Werterfassungseinrichtung 28 erfaßt wird und auf die Erfassungs- und Steuereinrichtung 26 gegeben wird, was durch die gestrichelte Linie dargestellt wird. Ebenfalls erfaßt wird die Temperatur des Fermentationsmediums 12 durch eine Temperaturerfassungseinrichtung 29, deren Signale ebenfalls auf die Erfassungs- und Steuerein richtung 26 gegeben wird, was ebenfalls durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.

Ein motorgetriebenes Rührwerk 30, das gegebenenfalls ebenfalls von der Erfassungs- und Steuereinrichtung 26 gesteuert werden kann, sorgt dafür, daß das Fermentati onsmedium 12 in der Fermentationseinrichtung 11 bei der Ausführung des Verfahrens fortwährend in Bewegung gehalten wird.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde hier zunächst als beispielhafter Bioprozeß die Vitamin B₁₂-Fermentation mit Propionibacterium freudenreichii ssp. freudenreichii (DSM 20271) gewählt. Propionibak terien verwerten Glukose und stammspezifisch andere Kohlenhydrate u. a. zu Propionsäure und Vitamin B₁₂ (QUESADA-CHANTO 1993). Die Propionsäure wird an das umgebende Medium abgegeben und vermindert, in Abhängig keit von deren Konzentration, das Wachstum der Bakterien im Fermentationsmedium 12. Dadurch erreicht die Bakte riendichte im Verlauf der Fermentation einen maximalen Wert, der durch die Säurekonzentration bestimmt wird. In Fig. 2 ist die Bakteriendichte (Biomasse) und die Propionsäurekonzentration im Verlauf der Fermentation dargestellt. Nachdem die Bakteriendichte durch die entstandene Säure abnahm, setzte im Verlaufe des Ver fahrens die Donnan-Dialyse ein (gestrichelte Linie) und verringerte innerhalb von 20 Stunden die Propionsäure konzentration in der Fermentationseinrichtung 11 von 31 auf 6,5 g/l. Durch den Entzug der Säure 14 wurden die Bakterien zur weiteren Zellteilung und Säureproduktion animiert.

Bei der Verfahrensführung gemäß der Darstellung von Fig. 3 wurde die Donnan-Dialyse jeweils vor der signifikanten Reduktion der Zelldichte begonnen und für einige Stunden betrieben. Durch den Entzug der Säure 14 konnte eine fortlaufend erhöhte Zelldichte und eine ebenfalls erhöhte Propionsäureproduktion erzielt werden. Die Zelldichte wurde bei dieser Verfahrensführung von 5,6 g/l auf 8,1 g/l erhöht, während die Säurekonzentration entsprechend den Betriebsintervallen der Donnan-Dialyse den in Fig. 3 dargestellten Verlauf nahm.

Bei den vorangehend beschriebenen Verfahrensführungen bzw. den abgewandelten Verfahrensführungen mittels der Anordnung 10 gemäß Fig. 1 gilt allgemein, daß das Fermentationsmedium 12 direkt längs der Zufuhrseite 15 der nach dem Prinzip der Donnan-Dialyse betriebenen Membraneinrichtung 13 gefördert wird, und zwar in unfiltrierter Form, wobei die organische Säure 14 durch die Ionenaustauschermembranen in das Dialysat 17 über führt wird, und wobei das Dialysat 17 nach Art eines Kreislaufs längs der Abführseite 16 der Membraneinrich tung 13 geführt wird. Das säureabgereicherte Fermenta tionsmedium 12 wird dann wieder in die Fermentations einrichtung 11, und das säure- bzw. salzangereicherte Dialysat zum Behälter bzw. der Einrichtung 27 zurückge führt. Durch prozeßtechnische Regelung für die Schalt zustände und die Förderleistungen der Umwälzpumpen für den Kreislauf des Fermentationsmediums 12 sowie des Kreislaufs des Dialysats 17 mittels der Erfassungs- und Steuereinrichtung 26, die beispielsweise aus einem Prozeßrechner bestehen kann, kann die Abreicherung des Fermentationsmediums 12 von Säure 14, und damit die Produktivität des Gesamtverfahrens, gesteuert werden.

Bezugszeichenliste

10 Anordnung
11 Fermentationseinrichtung
12 Fermentationsmedium
13 Membraneinrichtung
14 Säure
15 Zuführseite/Membraneinrichtung
16 Abführseite/Membraneinrichtung
17 Dialysat
18 Neutralisationsmittel
19 Neutralisationsmittel
20 Temperatureinrichtung
21 Temperatureinrichtung
22 Pumpe
23 Pumpe
24 Pumpe
25 Pumpe
26 Erfassungs- und Steuereinrichtung
27 Dialysatbehälter
28 pH-Wert Erfassungseinrichtung
29 Temperaturerfassungseinrichtung
30 motorgetriebenes Rührwerk

Claims

1. Verfahren zur Separierung organischer Säuren aus einem in einer Fermentationseinrichtung befindlichen Fermentationsmedium, wobei das Fermentationsmedium auf eine Membraneinrichtung geführt wird, in der die im Fermentationsmedium enthaltene Säure separiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Membraneinrichtung (13) nach dem Prinzip der Donnan-Dialyse mit Anionenaus tauschermembranen betrieben wird, wobei das Fermentations medium (12) (Zulauf) nach Art eines Kreislaufs längs der Zuführseite (15) der Membraneinrichtung (13) geführt wird und längs der Abführseite (16) der Membraneinrich tung (13) nach Art eines Kreislaufs ein alkalisches Dialysat (17) geführt wird, in dem die die Membran (13) durchquerende Säure (14) als Salz angereichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert des Fermentationsmediums (12) während des Verfahrensverlaufes auf einem vorbestimmbaren Wert gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert des Fermentationsmediums (12) durch geeignete Steuerung der Entnahmemenge der Säure pro Zeiteinheit auf dem vorbestimmbaren Wert gehalten wird.