WO2008019941A1 - Verfahren zur abtrennung und aufkonzentrierung von biomasse - Google Patents

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WO2008019941A1
WO2008019941A1 PCT/EP2007/057877 EP2007057877W WO2008019941A1 WO 2008019941 A1 WO2008019941 A1 WO 2008019941A1 EP 2007057877 W EP2007057877 W EP 2007057877W WO 2008019941 A1 WO2008019941 A1 WO 2008019941A1
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membrane
biomass
concentration
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PCT/EP2007/057877
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Lars Kucka
Wilfried Rähse
Werner Pichler
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Henkel Ag & Co. Kgaa
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
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    • B01D2315/16—Diafiltration

Definitions

  • the present invention relates to a process for the separation and concentration of biomass from a fermentation broth by means of dynamic cross-flow filtration with rotating ceramic membranes.
  • DE 10022258 A1 describes a method for purifying and / or concentrating protein inclusion bodies in a solution, which comprises passing the solution containing the protein inclusion body tangentially past one or more semipermeable membranes, so that the protein inclusion bodies are retained by the membranes and substances or pass through components having a smaller molecular weight or particle diameter, whereby a purified and / or concentrated protein inclusion body solution is obtained.
  • a disadvantage of these known methods is also the problem of so-called fouling which always occurs in membrane processes. Due to the flow of material to the membrane surface, in addition to the recyclables, substances also reach the pores of the membrane, which due to their size can not pass through them. As a result, a complex composite covering layer is formed on the membrane surface, which more and more blocks the flow of material through the membrane, in particular of the valuable substance, during the concentration.
  • the retention (retention of valuable substances) is increased and the permeate flow is limited.
  • the concentration In order to maintain the separation efficiency of the process, the concentration must be stopped at a relatively low degree of concentration and the membrane surfaces must be subjected to a purification.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for separating and concentrating biomass from a fermentation broth, which enables a low retention of the valuable material at high permeate flow and can be used universally. Furthermore, the method should be energy efficient and economically feasible.
  • This object is achieved according to the invention by a process for the separation and concentration of biomass from a fermentation broth by means of dynamic cross-flow filtration (cross-flow filtration), which is characterized in that rotating ceramic filtration membranes are used.
  • the process according to the invention is particularly suitable for the concentration of proteins, preferably of enzymes, in particular of detergent enzymes.
  • a first concentration step can be carried out in an upstream centrifuge stage.
  • the concentrate obtained from the centrifuging stage is preferably diafiltered with the addition of water and then further concentrated.
  • such an amount of water is added that the broth is diluted 1.5 to 4 times, more preferably 2 to 3 times.
  • This addition of water to the retentate increases the yield and hence the efficiency of the filtration process. Quantities of the desired product in the retentate may still be recovered by this dilution step involving the addition of water to the retentate.
  • the membranes are designed such that the biomass is retained on the surface of the retentate and the solvent is obtained with the enzyme to be recovered as valuable material and optionally together with low molecular weight compounds on the permeate side.
  • the permeate can then be further purified, for example subjected to ultrafiltration, directly for the final concentration of the enzyme in a manner known to the person skilled in the art.
  • the rotating ceramic filtration membranes are used so that they partially overlap.
  • a ceramic membrane is used which has an average pore size in the range of 0.01 to 1 .mu.m, in particular from 0.1 to 0.2 microns.
  • VCF volumetric Einkonzentri für styrene
  • This concentration may be at vorteilhaftesten at elevated temperatures, preferably at a temperature in the range of 1 ° C to 70 0 C, more preferably from 35 ° C to 70 0 C are performed.
  • the process is started at a temperature of about ⁇ 35 ° C and terminated at a temperature of about 70 0 C.
  • the process is preferably carried out such that more than 60% of the enzyme permeates and the retentate has a solids content of more than 12%.
  • the Transmembran horrin is in carrying out the method according to the invention in the range of 0.2 to 10 bar, preferably in the range of 0.7 to 3.0 bar.
  • shear rates in the range from 0.5 to 10 m / s, preferably in the range from 4 to 7 m / s, are achieved.
  • the process according to the invention can be carried out continuously. Preferably, however, it is carried out as a batch process, that is, a large volume to be purified is introduced once and then worked up. A continuous system is less advantageous in enzyme recovery, because the fermenters are typically also prepared batchwise and harvested.
  • Membrane materials suitable according to the invention are in principle all from which ceramic membranes can be produced.
  • the material of the membrane layer is preferably Ci-Al 2 O 3 , zirconium dioxide or titanium dioxide into consideration.
  • Rotary ceramic filtration membranes which can be used according to the invention are, for example, those which are also used in the devices described in DE 100 19 672 A1.
  • Devices of this type are used for the cross-flow permeation of flowable media. They comprise at least two shafts, on each of which many disk-shaped membrane bodies are arranged parallel to one another and at a mutual distance.
  • the waves are hollow, and the membrane discs are made of ceramic material and are crossed by radial channels. There is a conductive connection between the radial channels and the interior of the hollow shaft.
  • the liquid to be filtered passes through from the outside the porous material of the membrane body in the channels, and from there into the hollow shaft.
  • the said waves are parallel to each other, so that the membrane discs of two adjacent disk packages are arranged parallel to each other.
  • the waves are arranged so close together that the discs of two disc packs mesh with each other like a toothing.
  • the discs need not have the stated construction of porous ceramic material. There are also applications in which some discs are constructed as so-called dummy discs. It is also conceivable to produce the discs from sieve bodies. Combinations of the types mentioned are conceivable, for example, the pairing Sieb stresses-membrane body. The following is to be spoken only by "slices”.
  • spacers are arranged between two adjacent discs. Also in the sense of a precise axial positioning of the entire disc package is compressed, for example, by a nut which is screwed onto the respective hollow shaft on one end, and exerts a corresponding pressure on the plurality of discs with spacer elements located therebetween. Between mother and hollow shaft, a spring package can be switched.
  • Rotary ceramic filtration membranes which can preferably be used according to the invention are those which are also used in the devices described in WO 02005935 A2, to which reference is hereby made in their entirety.
  • FIG. 1 shows a device with filter plates in a schematic elevational view.
  • Figure 2 shows the article of Figure 1 in a plan view.
  • Figure 3 shows a modified embodiment of the article of Figure 1, again in plan view.
  • the device has two hollow shafts 1, 1 '.
  • Each hollow shaft carries a package of disks 2, 2 '.
  • the two shafts 1, 1 'and the disc packs are located in a container 10.
  • the container has an inlet 10.1 and an outlet 10.2.
  • the discs are used for filtration. They are constructed of a porous ceramic material and have channels in their interior. The channels are connected to the interiors of the hollow shafts 1, 1 'in a conductive connection.
  • the medium to be treated passes into the interior of the container 10.
  • the filtrate / permeate then passes through the pores of the ceramic material in said channels and from there into the interior of the two hollow shafts 1, 1 '. It then exits at the upper ends of the hollow shafts - see the two arrows pointing upwards.
  • the discs may be classic filter discs constructed of a porous ceramic material. But it may also be hollow screen body. Finally, at least some of the discs may be formed as so-called dummy discs.
  • the disks of the individual disk packs may be constructed of different filter media, which are different from each other in terms of their material or their deposition rates. This applies both within a chamber, and from one chamber to another.
  • rotary ceramic filtration membranes are those which are also used in the sold under the trade name RotoStream® by the company Canzler GmbH, Düren, or by the company. Andritz, Graz, devices
  • Membrane discs are mounted on rotating hollow shafts. The discs on the adjacent shafts overlap. The food product is guided along the outer surface of the discs. Permeate enters through the membrane into the interior of the discs, the support structure, and is discharged through the hollow shaft.
  • the support structure gives the windows the necessary mechanical stability. There is only a small flow resistance for the permeate when penetrating into the hollow shaft.
  • the permeation zone where the slices do not overlap
  • the self-cleaning zone where the topcoat is further broken apart beyond the high crossflow cycle cleaning effect.
  • the cover layer thickness is controlled by the rotational speed.
  • the present invention thus has a number of advantages over the prior art:
  • the cross flow cleaning effect and the TMP are independently adjustable.
  • Another object of the present invention is the use of a device according to the teaching of WO 02005935 A2 or DE 100 19 672 A1, or a device sold under the trade name RotoStream® by Canzler GmbH, Düren, or by the company. Andritz , Graz, for the separation and concentration of biomass from a fermentation broth by means of dynamic cross-flow filtration (cross-flow filtration).
  • the laboratory system comprises two shafts with the same direction of rotation and 0.136 m 2

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Enzymen und Aufkonzentrierung von Biomasse aus einer Fermentationsbrühe mittels dynamischer Cross Flow Filtration mit rotierenden keramischen sich überlappenden Membranen (2, 2').

Description

Verfahren zur Abtrennung und Aufkonzentrierung von Biomasse
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung und Aufkonzentrierung von Biomasse aus einer Fermentationsbrühe mittels dynamischer Cross Flow Filtration mit rotierenden keramischen Membranen.
Die Aufreinigung von biotechnologisch gewonnenen Enzymen aus Fermentationsbrühen erfolgt üblicherweise in mehreren Stufen. Vor der abschließenden Reinigungs- und Konzentrationsstufe, beispielsweise durch Ultrafiltration, muß unerwünschte Biomasse, insbesondere Zellen, Zellbestandteile und sonstige Verunreinigungen abgetrennt werden.
Derartige Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen aus Fermenterlösungen sind bekannt. In einer Querstrom-Membranfiltration wird der gelöste Wertstoff als Permeat aus der Fermenterbrühe abgeschieden. Anschließend erfolgt eine Aufkonzentration des Wertstoffes in einer weiteren Aufarbeitungsanlage, zum Beispiel durch Fällung oder in einer Ultrafiltration beziehungsweise Umkehrosmose. Sowohl die Mikrofiltration mit Porengrößen von 0,02 - 10 μm als auch die Ultrafiltration mit Porengrößen von 0,001 - 0,02 μm werden mit Hilfe hintereinander geschalteter, sogenannter Modulen durchgeführt. Dabei muß die in den ersten Modul eintretende Fermenterbrühe mit einem ausreichend hohen Druck beaufschlagt werden, damit aufgrund der in den Modulen auftretenden Druckverluste auch im letzten Modul noch eine ausreichend große transmembrane Druckdifferenz zur Stoffabtrennung gewährleistet ist.
Aus der zur EP 200032 A2 der Anmelderin ist ein Verfahren zur Reinigung von Fermenterlösungen mittels Querstrommikrofiltration durch Membranen bekannt. Die Querstrom- mikrofiltration dient demnach der Abtrennung des durch die Membran durchtretenden Wertstoffs (Permeat; hier Enzym) von der Biomasse (= Retentat), welche von der Membran zurückgehalten wird.
Eine besondere Ausführungsform dieses Verfahrens wird in in der EP 307737 A2 der Anmelderin beschrieben. Demnach wird die Querstrommikrofiltration durch Anlegen besonderer Druckverhältnisse gesteuert. Auch nach dieser Ausführungsform wird das Enzym als der von den Begleitstoffen gereinigte Wertstoff auf der Permeatseite der Membran erhalten. Die DE 10022258 A1 beschreibt ein Verfahren zur Reinigung und/oder Konzentrierung von Proteineinschlusskörpern in einer Lösung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Proteineinschlusskörper enthaltende Lösung tangential an einer oder mehreren semipermeablen Membranen vorbeigeleitet wird, so dass die Proteineinschlusskörper von den Membranen zurückgehalten werden und Substanzen oder Bestandteile mit einem kleineren Molekulargewicht beziehungsweise Partikeldurchmesser durchtreten können, wobei eine gereinigte und/oder konzentrierte Proteineinschlusskörper-Lösung erhalten wird.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weisen jedoch hohe Wertstoffverluste auf und sind deshalb nur bedingt wirtschaftlich einsetzbar.
Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist außerdem das bei Membranverfahren immer auftretende Problem des sogenannten Foulings. Durch den Stofffluß an die Membranoberfläche gelangen neben den Wertstoffen auch Stoffe an die Poren der Membran, die diese aufgrund ihrer Größe nicht passieren können. Dadurch bildet sich auf der Membranoberfläche eine komplex zusammengesetzte Deckschicht, die während der Aufkonzentrierung mehr und mehr den Stofffluß durch die Membran, insbesondere des Wertstoffes, blockiert.
Dadurch wird die Retention (Rückhaltung der Wertstoffe) erhöht und der Permeatfluß begrenzt. Zur Aufrechterhaltung der Trennleistung des Verfahrens muß die Aufkonzentrierung bei relativ niedrigem Aufkonzentrierungsgrad abgebrochen werden und die Membranflächen müssen einer Reinigung unterzogen werden.
In der EP 200032 A2 der Anmelderin wird ein Verfahren beschrieben, das diesen Nachteil weitgehend vermeidet. Dieses Verfahren basiert jedoch auf der Verwendung bestimmter Membranwerkstoffe sowie genau definierter hydrodynamischer Bedingungen. Deshalb ist das Verfahren nur für bestimmte biotechnologische Produkte geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines Verfahrens zur Abtrennung und Aufkonzentrierung von Biomasse aus einer Fermentationsbrühe, das bei hohem Permeatfluß eine möglichst geringe Retention des Wertstoffes ermöglicht und universell eingesetzt werden kann. Weiterhin soll das Verfahren energieeffizient und wirtschaftlich günstig durchführbar sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Abtrennung und Aufkonzentrierung von Biomasse aus einer Fermentationsbrühe mittels dynamischer Cross Flow Filtration (Querstromfiltration), das dadurch gekennzeichnet ist, dass man rotierende keramische Filtrationsmembranen einsetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Aufkonzentrierung von Proteinen, vorzugsweise von Enzymen, insbesondere von Waschmittelenzymen.
Gewünschtenfalls kann in einer vorgeschalteten Zentrifugenstufe ein erster Konzentrationsschritt vorgenommen werden. Erfindungsgemäß wird das aus der Zentrifugenstufe anfallende Konzentrat vorzugsweise unter Wasserzusatz diafiltriert und anschließend weiter aufkonzentriert. Bevorzugtermaßen wird eine derartige Menge an Wasser zugegeben, dass die Brühe um das 1 ,5- bis 4-fache, stärker bevorzugt das 2- bis 3-fache, verdünnt wird. Durch diese Zugabe von Wasser zu dem Retentat wird die Ausbeute und folglich die Wirksamkeit des Filtrationsverfahrens erhöht. Mengen des gewünschten Produktes in dem Retentat können noch durch diesen Verdünnungsschritt, der die Zugabe von Wasser zu dem Retentat umfaßt, gewonnen werden.
Die Membranen sind erfindungsgemäß so ausgelegt, dass die Biomasse auf der Reten- tatseite zurückgehalten und das Lösungsmittel mit dem als Wertstoff zu gewinnenden Enzym und gegebenenfalls zusammen mit niedermolekularen Verbindungen auf der Permeatseite erhalten wird. Das Permeat kann dann direkt zur abschließenden Aufkonzentration des Enzyms in dem Fachmann bekannter Weise weiter gereinigt, beispielsweise einer Ultrafiltration unterzogen werden.
Vorzugsweise werden die rotierenden keramischen Filtrationsmembranen so eingesetzt, dass sie partiell überlappen. Bevorzugt wird eine Keramikmembran verwendet, die eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 0,01 bis 1 μm, insbesondere von 0,1 bis 0,2 μm aufweist.
Während der Zirkulierung der Brühe entlang der Membran (Querstromfiltration) wird sie konzentriert, da erhöhte Mengen an Fluiden, die in der Brühe vorliegen, durch die Membran permeieren. Ein erfindungsgemäß geeigneter volumetrischer Einkonzentrierungsfaktor (VCF) liegt im Bereich von 3 bis 20, vorzugsweise von 3 bis 5. Diese Konzentration kann am vorteilhaftesten bei erhöhten Temperaturen, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 1 °C bis 700C, stärker bevorzugt von 35°C bis 700C durchgeführt werden. Besonders bevorzugt wird der Prozess bei einer Temperatur von etwa ≤ 35°C gestartet und bei einer Temperatur von etwa 700C beendet.
Vorzugsweise erfolgt die Verfahrensführung so, dass über 60% des Enzyms permeieren und das Retentat einen Feststoffgehalt von mehr als 12% aufweist.
Der Transmembrandruck liegt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich von 0,2 bis 10 bar, vorzugsweise im Bereich von 0,7 bis 3,0 bar.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Schergeschwindigkeiten im Bereich von 0,5 bis 10 m/s, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 7 m/s erzielt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden. Vorzugsweise wird es jedoch als Batch-Verfahren durchgeführt, das heißt, dass ein großes aufzureinigendes Volumen einmal eingebracht und dann aufgearbeitet wird. Ein kontinuierliches System ist in der Enzymgewinnung weniger vorteilhaft, weil die Fermenter typischerweise ebenfalls batchweise angesetzt und abgeerntet werden.
Erfindungsgemäß geeignete Membranmaterialien sind grundsätzlich alle, aus denen sich keramische Membranen herstellen lassen. Als Material der Membranschicht kommt jedoch vorzugsweise Ci-AI2O3, Zirkondioxid oder Titandioxid in Betracht.
Erfindungsgemäß einsetzbare rotierende keramische Filtrationsmembranen sind beispielsweise solche, die auch in den in der DE 100 19 672 A1 beschriebenen Vorrichtungen verwendet werden.
Vorrichtungen dieser Art dienen zur Querstrom-Permeation von fließfähigen Medien. Sie umfassen wenigstens zwei Wellen, auf denen jeweils viele scheibenförmige Membrankörper parallel zueinander und in gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Die Wellen sind hohl, und die Membranscheiben bestehen aus keramischem Material und sind von Radialkanälen durchzogen. Zwischen den Radialkanälen und dem Innenraum der Hohlwelle besteht eine leitende Verbindung. Die zu filtrierende Flüssigkeit gelangt von außen durch das poröse Material des Membrankörpers in die Kanäle, und von dort aus in die Hohlwelle.
Die genannten Wellen verlaufen parallel zueinander, so dass auch die Membranscheiben zweier einander benachbarter Scheibenpakete parallel zueinander angeordnet sind. Dabei sind die Wellen derart dicht nebeneinander angeordnet, dass die Scheiben zweier Scheibenpakete verzahnungsartig ineinandergreifen.
Die Scheiben müssen nicht den genannten Aufbau aus porösem keramischem Material haben. Es gibt auch Anwendungsfälle, bei welchen einige Scheiben als sogenannte Dummy-Scheiben aufgebaut sind. Auch ist es denkbar, die Scheiben aus Siebkörpern herzustellen. Auch Kombinationen der genannten Bauarten sind denkbar, beispielsweise die Paarung Siebkörper-Membrankörper. Im folgenden soll nur von "Scheiben" gesprochen werden.
Um eine möglichst große Mengenleistung zu erzielen, sollen möglichst viele Scheiben auf einer Welle sitzen. Die Scheiben müssen somit so dicht wie möglich angeordnet werden. Andererseits ist aber darauf zu achten, dass die Scheiben des einen Paketes nicht die Scheiben des anderen Paketes berühren. Deshalb ist eine genaue axiale Positionierung der Scheiben auf ihren Wellen erforderlich.
Zum Zwecke des Positionierens werden zwischen zwei einander benachbarten Scheiben Distanzelemente angeordnet. Ebenfalls im Sinne einer genauen axialen Positionierung wird das gesamte Scheibenpaket komprimiert, beispielsweise durch eine Mutter, die auf die betreffende Hohlwelle auf deren einem Ende aufgeschraubt wird, und die einen entsprechenden Druck auf die Vielzahl von Scheiben mit dazwischen befindlichen Distanzelementen ausübt. Zwischen Mutter und Hohlwelle kann ein Federpaket geschaltet werden.
Erfindungsgemäß bevorzugt einsetzbare rotierende keramische Filtrationsmembranen sind solche, die auch in den in der WO 02005935 A2 beschriebenen Vorrichtungen verwendet werden, auf die hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Beispielhaft gezeigt werden solche bevorzugt einsetzbare rotierende keramische Filtrationsmembranen in den Figuren 1 bis 3. Figur 1 zeigt eine Vorrichtung mit Filterplatten in einer schematischen Aufrißansicht.
Figur 2 zeigt den Gegenstand von Figur 1 in einer Draufsicht.
Figur 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Gegenstandes von Figur 1 , wiederum in Draufsicht.
Wie aus den Figuren 1 und 2 erkennbar, weist die Vorrichtung zwei Hohlwellen 1 ,1 ' auf. Jede Hohlwelle trägt ein Paket von Scheiben 2, 2'. Die beiden Wellen 1 , 1 ' und die Scheibenpakete befinden sich in einem Behälter 10. Der Behälter weist einen Einlaß 10.1 und einen Auslaß 10.2 auf.
Die beiden Hohlwellen 1 ,1' sind angetrieben - siehe Figur 2, und zwar in Draufsicht auf die Enden der Wellen gesehen im Uhrzeigersinn. Sie können auch beide im Gegenzeigersinn laufen. Jedenfalls ist der Umlauf in ein-und demselben Drehsinn vorteilhaft.
Die Scheiben dienen der Filtration. Sie sind aus einem porösen keramischen Material aufgebaut und weisen in ihrem Inneren Kanäle auf. Die Kanäle stehen mit den Innenräumen der Hohlwellen 1 , 1' in leitender Verbindung.
Durch den Einlaß 10.1 gelangt das zu behandelnde Medium in den Innenraum des Behälters 10. Das Filtrat/Permeat tritt sodann durch die Poren des keramischen Materiales in die genannten Kanäle und gelangt von dort aus in den Innenraum der beiden Hohlwellen 1 , 1 '. Es tritt sodann an den oberen Enden der Hohlwellen aus - siehe die beiden nach oben weisenden Pfeile.
Was nicht durch die Poren des Keramikmateriales hindurchzudringen vermag, gelangt als Retentat zum Auslaß 10.2 des Behälters 10.
Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform sind drei Wellen mit drei Scheibenpaketen dargestellt. Auch hier laufen die Scheiben im selben Drehsinn um. Es könnte aber auch ein gegenläufiger Drehsinn gewählt werden. Die Drehzahlen der aus Wellen und Scheiben bestehenden Pakete können variabel sein, den Bedürfnissen des Produktes angepaßt. Sie liegen vorzugsweise im Drehzahlbereich zwischen 10 und 1000 U/min.
Alle Pakete laufen in ein- und demselben Drehsinn um. Maßgeblich ist dabei die Differenzgeschwindigkeit, die zwei einander gegenüberliegende Flächenelemente zweier Scheiben im Überlappungsbereich aufweisen. Diese Differenzgeschwindigkeit kann im Bereich zwischen 1 und 20 m/s liegen. Am besten liegt sie zwischen 2,5 und 7 m/s.
Die Scheiben können klassische Filterscheiben sein, aufgebaut aus einem porösen keramischen Material. Es kann sich aber auch um hohle Siebkörper handeln. Schließlich können wenigstens einzelne der Scheiben als sogenannte Dummy-Scheiben ausgebildet sein.
Die Scheiben der einzelnen Scheibenpakete können aus unterschiedlichen Filtermedien aufgebaut sein, die bezüglich ihres Materiales oder ihrer Abscheideraten voneinander verschieden sind. Dies gilt sowohl innerhalb einer Kammer, als auch von einer Kammer zur anderen.
Zur Verarbeitung großer Volumina sowie zur Realisierung einer kontinuierlichen Betriebsweise können mehrere Vorrichtungen parallel zueinander und/oder in Serie geschaltet werden.
Weitere erfindungsgemäß bevorzugt einsetzbare rotierende keramische Filtrationsmembranen sind solche, die auch in den unter dem Handelsnamen RotoStream® von der Firma Canzler GmbH, Düren, beziehungsweise von der Fa. Andritz, Graz, vertriebenen Vorrichtungen verwendet werden
Der erfindungsgemäße Einsatz von auf rotierende Hohlwellen montierten Membranscheiben vermindert Membranverschmutzung ebenso wie den in Rohrmodulen typischen E- nergieverbrauch in den Fließkanälen und Kanaleinlässen. Durch den Selbstreinigungseffekt wird die Verblockung der Membran ohne hohen Energieeinsatz zur Erzeugung von hohen Cross Flow Geschwindigkeiten reduziert. Bei den herkömmlichen in der Industrie eingesetzten Cross Flow Membransystemen wird das Leistungsverhalten häufig aufgrund von Membranverschmutzung oder Deckschichtbildung auf der Membranoberfläche beeinträchtigt. Dies führt zur Reduzierung der Per- meatrate. Zweckmäßiger Weise wird die Dicke des laminaren Überströmbereiches an der Membranoberfläche durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Speiseproduktes entlang der Membranoberfläche verringert. Jedoch werden hierbei ein hoher Zirkulationsstrom und hoher elektrischer Energieverbrauch für die Zirkulationspumpen benötigt. Ansteigende Konzentrationen bewirken in der Regel auch eine Zunahme der Produktviskosität. Somit wird der Energieaufwand zusätzlich erhöht, besonders wenn große Flüssigkeitsvolumen mit hohen Geschwindigkeiten entlang der Membran gepumpt werden.
Die oben genannten Nachteile werden durch die dynamische Cross Flow Membranfiltration, zum Beispiel durch eine Filtration nach dem RotoStream® Prinzip vermieden.
Hierbei sind Membranscheiben auf rotierenden Hohlwellen montiert. Die Scheiben auf den nebeneinander liegenden Wellen überlappen sich. Das Speiseprodukt wird entlang der Außenoberfläche der Scheiben geführt. Permeat tritt durch die Membran in das Innere der Scheiben, die Stützkonstruktion, ein und wird über die Hohlwelle abgeführt. Die Stützkonstruktion gibt den Scheiben die notwendige mechanische Stabilität. Es gibt nur einen kleinen Strömungswiderstand für das Permeat beim Eindringen in die Hohlwelle.
Einerseits wird eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen der Scheibenoberfläche und der Flüssigkeit während der Rotation (Cross Flow Geschwindigkeit) erzeugt. Andererseits entstehen extrem starke Turbulenzen an den Überlappungszonen der Membranen. Da die Produktstromgeschwindigkeit im Inneren des Modulgehäuses klein ist, bleibt der entsprechende Druckverlust ebenfalls klein, und der transmembrane Druck (TMP - transmembrane pressure) ist über alle Membranscheiben sehr gleichmäßig.
Zwei unterschiedliche Zonen sind aktiv: die Permeationszone, in der die Scheiben nicht überlappen und die Selbstreinigungszone, in der die Deckschicht über den Reinigungseffekt der hohen Cross Flow Geschindigkeit hinaus weiter aufgebrochen wird. Somit wird die Deckschichtdicke durch die Rotationsgeschwindigkeit kontrolliert.
Die vorliegende Erfindung weist somit eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf: Der Cross Flow-Reinigungseffekt und der TMP sind von einander unabhängig einstellbar.
Wegen des kleinen Druckverlusts im System werden Druckgehäuse und Hochdruckpumpen meist nicht benötigt.
Ebenso herrscht ein gleichmäßiger TMP über alle Membranscheiben. Hochviskose Fluide können behandelt werden.
Elektrische Energieersparnis von ca. 70 - 80% (im Vergleich zu Rohrmembranen). Geringer Platzbedarf.
Produktion muss seltener für Reinigung unterbrochen werden. Lange Betriebszeiten bei gleichbleibend hoher Permeatrate.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Lehre der WO 02005935 A2 oder der DE 100 19 672 A1 , oder einer Vorrichtung, die unter dem Handelsnamen RotoStream® von der Firma Canzler GmbH, Düren, beziehungsweise von der Fa. Andritz, Graz, vertrieben wird, zur Abtrennung und Aufkonzentrierung von Biomasse aus einer Fermentationsbrühe mittels dynamischer Cross Flow Filtration (Querstromfiltration).
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie jedoch darauf einzuschränken:
Beispiel 1 :
Abtrennung von Biomasse und simultane Proteinextraktion aus dem Konzentrat einer Zentrifugenvorkonzentrierungsstufe.
1. Die Laboranlage umfasst zwei Wellen mit gleicher Drehrichtung und 0,136 m2
2. Schergeschwindigkeit 6,5 m/s
3. Transmembrandruck 0,5 bar
4. Temperatur 35°C
Es wurde eine Diafiltration mit Wasser durchgeführt
Ergebnisse:
Start: Trockensubstanz-Gehalt 12,9%, Sedimentgehalt 83,2%
Ende: Trockensubstanz -Gehalt 14,9%, Sedimentgehalt 96,8%
Protein Ausbeute 69,8%

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Abtrennung und Aufkonzentrierung von Biomasse aus einer Fermentationsbrühe mittels dynamischer Querstromfiltration, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man rotierende keramische Filtrationsmembranen einsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man Membranen einsetzt, die so ausgelegt sind, dass die Biomasse auf der Retentatseite zurückgehalten und das Lösungsmittel mit dem als Wertstoff zu gewinnenden Enzym und gegebenenfalls zusammen mit niedermolekularen Verbindungen auf der Permeatseite erhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die rotierenden keramischen Filtrationsmembranen so einsetzt, dass sie partiell überlappen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Keramikmembran einsetzt, die eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 0,01 bis 1 μm, insbesondere von 0,1 bis 0,2 μm aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man einen volumetrischen Einkonzentrierungsfaktor erreicht, der im Bereich von 3 bis 20, vorzugsweise von 3 bis 5 liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verfahren bei einer Temperatur etwa < 35°C startet und bei einer Temperatur von etwa 700C beendet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verfahren so führt, dass über 60% des Enzyms permeieren und das Retentat einen Feststoffgehalt von mehr als 12% aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verfahren so führt, dass der Transmembrandruck im Bereich von 0,2 bis 10 bar, vorzugsweise im Bereich von 0,7 bis 3,0 bar liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verfahren so führt, dass Schergeschwindigkeiten im Bereich von 0,5 bis 10 m/s, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 7 m/s erzielt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man es als Batch-Verfahren durchführt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man als Membranmaterialien Ci-AI2O3, Zirkondioxid oder Titandioxid einsetzt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man in einer vorgeschalteten Zentrifugenstufe einen ersten Konzentrationsschritt vornimmt und das aus der Zentrifugenstufe anfallende Konzentrat vorzugsweise unter Wasserzusatz diafiltriert und anschließend weiter aufkonzentriert.
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