DE102006022729A1

DE102006022729A1 - Verfahren zur Verwertung von Schlempe

Info

Publication number: DE102006022729A1
Application number: DE200610022729
Authority: DE
Inventors: Rüdiger BAUER; Bernd Dr. Habermann; Gerhard Dr. Kerns; Swetlana Dr. König; Gerhard Moser; Jelka Dr. Ondruschka; Daniel Spindler
Original assignee: EDL ANLAGENBAU GmbH
Current assignee: EDL ANLAGENBAU GmbH
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-05-13
Also published as: DE102006022729B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung von Schlempe. Es ist die Aufgabe gestellt, die in Brennereien anfallende Rohschlempe unmittelbar und direkt zu nutzen und umweltschonend aufzuarbeiten. Die Aufgabe wird gelöst, indem die Rohschlempe für eine Enzymfermentation eingesetzt wird und indem Pilze verwendet werden, welche die in der Rohschlempe enthaltenen nicht-vergärbaren Zucker als Substrat und Induktor nutzen und welche außerdem die Enzyme zur Lyse der in der Rohschlempe enthaltenen Hefezellen ausscheiden und somit auch die Hefezellen als Substrat nutzen. Bevorzugt werden Trichoderma reesei- oder Aspergillus terreus-Mutanten mit reduzierter oder ausgeschalteter C-Katabolitrepression eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches 1 zur komplexen Verwertung von Rohschlempe für die Gewinnung von Enzymen und Wertstoffen.
Unter „Schlempen" versteht man in der Gärungstechnologie ganz allgemein die nach der destillativen Abtrennung des Alkohols aus vergorenen Maischen verbleibenden Rückstände. Je nach der Art der zur Alkoholproduktion verwendeten Rohstoffe unterscheidet man u. a. Weizen-, Roggen-, Mais- und Kartoffelschlempen. Nach dem Abdestillieren des Alkohols ist die alkoholfreie Maische beim Verlassen des Brennapparates als Schlempe etwa 100°C heiß.
Je nach Art der Destillationsapparatur fallen pro hl vergorener Maische 90–140 l Schlempe mit einem Trockensubstanzgehalt von 5–8% an. Für die Herstellung von 100 l reinem Alkohol ist mit Schlempemengen zwischen 1.100 und 1.400 l zu rechnen.
Die Schlempe enthält Feststoffe wie Reste des Substrates, zumeist aus Getreide, und die nicht-vergärbaren Zucker, insbesondere Xylose und Oligomere aus den Hemicellulosebestandteilen der Rohstoffe, und die gesamten eingesetzten und im Verlauf der Gärung vermehrten Hefemengen. Darüber hinaus enthalten die Schlempen weitere Bestandteile der verarbeiteten Rohstoffe, wie Eiweiß, Aminosäuren, Fett, Mineralstoffe und Rohfaser.
Bei Schlempe handelt es sich hinsichtlich der Entsorgung um einen Problemstoff, der ohne Vorbehandlung nicht in die kommunalen Abwasser-Entsorgungsanlagen eingeleitet werden kann. Für eine Entsorgung der anfallenden Schlempe und – soweit möglich – auch für deren teilweise Verwertung sind zahlreiche Verfahren zur Trennung in die feste und flüssige Phase sowie zur Aufkonzentrierung und Trocknung von Schlempefraktionen beschrieben. Eine Zusammenstellung dazu hat H. J. Pieper gegeben (Gärungstechnologische Alkoholproduktion, in: Handels-Futtermittel, Vol. 2A, pp. 91-106, [KLING, M., WÖHLBIER, W., Eds.], Stuttgart: Eugen Ulmer, 1983). Die Abtrennung der Feststoffe kann durch Zentrifugation (Separation) erfolgen, wobei als Fugat eine milchige Dünnschlempe anfällt. Dünnschlempen enthalten immer Feststoffe geringer Partikelgröße.
Für die Verwertung der Rohschlempe kommen neben der Trocknung und Verfütterung derzeit die Verbrennung und die Nutzung als Einsatzstoff für die Biogaserzeugung in Betracht. Die Verfütterung frischer Schlempe in heißem Zustand erhöht deren Bekömmlichkeit, während sie nach Abkühlung durch Säuerung leicht verdirbt und in dieser Form zu Verdauungsstörungen führen kann (vgl.: Pieper, H. J., 1983). Die Verfütterung der Rohschlempe oder des Feststoffes ist darüber hinaus von den Konditionen der Landwirtschaft abhängig und würde im Falle eines stagnierenden Absatzes (z.B. bei Tierseuchen) die Alkoholproduktion wegen des Problems der Schlempeentsorgung zum Erliegen bringen. Die Entsorgung der Rohschlempe mittels Biogaserzeugung ist „unter dem Strich" mit Kosten verbunden, ebenso wie die Verbrennung. Aus diesem Grund sind Alkoholproduzenten an einer sinnvollen Alternative der Verwertung ihrer Schlempe interessiert.
Das Problem der Entsorgung von Schlempe ist seit langem bekannt. Im Zuge der Bemühungen zur Verwertung von Schlempe wurden verschiedene Verfahren zur biotechnischen Nutzung von Schlempe beschrieben. Diese Verfahren beruhen auf einer Verwertung einzelner Fraktionen der Brennereischlempe, die mittels technischer Verfahren der Separation, Dekantation, Sedimentation, Zentrifugation und Siebung gewonnen werden. Zumeist wird die Rohschlempe in die sog. Dünnschlempe und den Feststoff getrennt.
In DD 224 868 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Penicillium-Stämme zur Gewinnung eines Enzymkomplexes auf einem Nährmedium kultiviert werden, welches neben anderen Bestandteilen Fraktionen einer Schlempeaufbereitung enthält; die Enzyminduktion wird mit einem fraktionierten Schlempefeststoff erzielt, der mittels einer Heißwasser-Extraktion bei 62°C vorbehandelt wird.
In DD 256 264 A1 wird ein Verfahren zur Klassierung von Schlempen beschrieben. Die anfallenden Schlempen werden zur Trennung in die feste und die flüssige Phase über ein Bogensieb mit definierter Spaltbreite geleitet. Die anfallende Dünnschlempe wird als Nährsubstrat für die Enzymgewinnung eingesetzt.
In OS DE 100 43 662 A1 wird im Beispiel 2 ein Verfahren zur Gewinnung von Hydrolasen auf Basis von Dünnschlempe beschrieben.
Die Produktion von power-Ethanol (= Bioethanol) als alternativer Energieträger hat zugenommen, womit auch der Anfall von Schlempe zugenommen hat. Dies betrifft die Verwertung von stärkehaltigen Rohstoffen wie Getreide und Mais zur Gewinnung von Bioethanol. Aus der dabei anfallenden Schlempe wird durch Trocknung des Feststoffes Futtermittel hergestellt (vgl. Berthold Nolte: Vortrag, Landwirtschaftliche Rohstoffe zur Ethanolherstellung. Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft, Nossen, 02. Juni 2004).
Eine Zusammenstellung von Literaturangaben zur Erzeugung von Bioethanol aus stärkehaltigen Rohstoffen sowie zur Verwertung von Schlempe findet sich unter http://res2.agr.gc.ca/publications/cfar/chap1_e.htm.
Die stofflichen Verwertung von Lignocellulose als nachwachsender Rohstoff für die Herstellung von Bioethanol gewinnt an Bedeutung. Dies ist u.a. daran erkennbar, dass das U.S. Department of Energy Förderprogramme im mehrstelligen Millionenbereich aufgelegt hat, um die Kosten für Cellulase-Komplexe zu senken, mit dem Ziel, die Cellulose für die nachfolgende kostenrentable Gewinnung von power-Alkohol zu verzuckern (vgl. z.B.: http://www.eere.energy.qov/biomass/).
Die Verzuckerung von stärkehaltigen wie auch cellulosehaltigen Rohstoffen wird von einem steigenden Anfall an Schlempe begleitet. Kostenrentable Verfahren zur komplexen Verwertung von Schlempe sind nicht bekannt.
Der Stand von Wissenschaft und Technik weist Nachteile auf. Es ist bisher nicht gelungen, Rohschlempe als zwangsläufig anfallendes Produkt der Alkoholerzeugung ohne aufwändige Vorbehandlung direkt und vollständig einer sinnvollen Nutzung zuzuführen.
Die Ursachen der Nachteile liegen in der Natur des Abfallprodukte "Rohschlempe" begründet. Es handelt sich um eine komplex anfallende wässrige Suspension, die sich kostenrentabel nicht aufarbeiten lässt.
Es sind auch keine Verfahren bekannt, in denen Rohschlempe ohne vorherige Aufarbeitung als Substrat für die Gewinnung von Wertstoffen und Enzymen eingesetzt wird.
Die Erfindung hat das Ziel, die in großen Mengen anfallende Rohschlempe einer Nutzung zuzuführen und sie umweltfreundlich aufzuarbeiten. Dabei soll das Problem der Rentabilität der Rohschlempeverwertung gelöst werden, indem ein Veredelungsprozess ins Auge gefasst wird. Das bisher unbefriedigend gelöste Problem der thermischen Behandlung der Rohschlempe bis zu ihrer Weiterverwertung soll unter energetischen Aspekten überarbeitet werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur komplexen Schlempeverwertung, das industriell nutzbar ist und das Problem der Entsorgung dieses Abfallproduktes der Alkoholgewinnung technisch zuverlässig löst. Dabei kann in zwei Schritten vorgegangen werden. Im ersten Schritt können bereits enthaltene Wertstoffe abgetrennt werden, in einem zweiten Schritt können auf der Basis vorhandener Inhaltsstoffe Wertstoffe erzeugt und diese dann ebenfalls abgetrennt und gewonnen werden.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die in der Rohschlempe vorhandenen Substanzen, welche Kohlenstoff und Stickstoff enthalten, durch Mikroorganismen verwerten zu lassen und damit sowohl Wertstoffe zu gewinnen als das Entsorgungsproblem der Rohschlempe zu beherrschen. Durch unmittelbare Nutzung der Rohschlempe soll das Energieproblem gelöst werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche 2 bis 14 betreffen bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
So werden zunächst enthaltene Wertstoffe aus der Rohschlempe abgetrennt. Für Feststoffe bieten sich Filter- oder Zentrifugationsverfahren an. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Polysaccharide, Lipide, Proteine und Alkylresorcinole abtrennen und gewinnen.
Die vorbehandelte oder auch die anfallende Rohschlempe direkt wird nunmehr einer Fermentation unterzogen.
Erfindungsgemäß werden für die Enzymfermentation Pilze eingesetzt, welche die in der Rohschlempe enthaltenen nicht-vergärbaren Zucker als Substrat und Induktor nutzen und welche außerdem die Enzyme zur Lyse der in der Rohschlempe enthaltenen Hefezellen ausscheiden und somit auch die Hefezellen als Substrat nutzen.
Bevorzugt werden Trichoderma reesei- oder Aspergillus terreus-Mutanten mit reduzierter oder ausgeschalteter C-Katabolitrepression eingesetzt.
Es ist überraschend und war nicht zu erwarten, dass die bezeichneten Mutanten, die aus einer sehr bedeutenden Anzahl von Enzymbildnern nach langen und schwierigen, auch aufwändigen Versuchen ausgesucht worden sind, diese Eigenschaft haben, die nunmehr technisch vorteilhaft genutzt werden kann.
Die Enzymfermentation hat bevorzugt die Gewinnung von Cellulase-/Hemicellulase-Komplexen zum Ziel, insbesondere die Gewinnung von Xylanase und Endoglucanase für unterschiedliche Anwendungen. Durch Variation des pH-Wertes der Enzymfermentation, der Fermentationstemperatur, durch Zugabe weiterer C-Quellen/Induktoren sowie durch die Prozessführung kann die Zusammensetzung des Enzymkomplexes gezielt verändert werden. Mögliche C-Quellen/Induktoren, die dem Fermentationsprozess zugegeben werden, sind z.B. Cellulose und Laktose. Die Zugabe dieser Stoffe kann zu Beginn in das Grundmedium erfolgen, oder aber in Form einer fed-batch-Technik im Anschluss an die Batch-Phase.
Auch durch Variation der Fermentationsdauer kann die Zusammensetzung des Enzymkomplexes gezielt beeinflusst werden. Die optimale Fermentationstemperatur ist abhängig von den verwendeten Pilzen; bei den mesophilen T. reesei-Mutanten liegt sie im Bereich von 25 bis 32°C; das Optimum für den pH-Wert der Fermentation liegt bei diesen Pilzen im Bereich von 4,0 bis 6,5.
Wenn eine Fed-Batch-Prozessführung gefahren wird, erfolgt die Zugabe der C-Quellen/Induktoren zweckmäßig intermittierend, angesteuert über die CO₂-Konzentration im Abgas oder über ein entsprechendes Zeitregime.
Das Down-Stream-Processing dient der Abtrennung der Feststoffe (Pilzbiomasse, ggf. Restbestandteile aus der Rohschlempe) und – soweit anwendungsbezogen erforderlich – der Aufkonzentrierung der Enzymlösung. Die Abtrennung der Feststoffe erfolgt nach den üblichen Verfahren der Fest-Flüssig-Trennung. Zum Aufkonzentrieren der Enzymlösung wird zweckmäßig nacheinander eine cross-flow-Mikro- und Ultrafiltration durchgeführt. Das gewonnene Pilzmyzel wird zur Abtrennung von Bestandteilen, z.B. Chitin, weiterverarbeitet.
Der Prozess kann auch mit dem Ziel der Herstellung des Pilzmyzels durchgeführt werden.
Entscheidend für die Rentabilität des Verfahrens ist die direkte Nutzung der anfallenden Rohschlempe, die mit einer Temperatur > 100°C nach dem Abdestillieren des Alkohols anfällt, bei dieser Temperatur steril ist und im Zuge der direkten Nutzung nach einigem Abkühlen unmittelbar mit den gewünschten Pilzkulturen geimpft werden kann.
Beispiel 1:
Auf Basis von Rohschlempe und Abfallcellulose wird ein Xylanase-/Endoglucanase-Komplex mit einer Trichoderma reesei-Mutante fermentiert. Die anfallende Biomasse wird abgetrennt und zur Gewinnung von Chitin nach den bekannten Verfahren weiterverarbeitet.
Stamm:

Selektande aus dem Stamm T. reesei, DSM 7925, deponiert in der DSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, D-38124 Braunschweig.

Substrat:

Roggen-Rohschlempe der Brennerei Nordbrand GmbH, Nordhausen Zusatz von Cellulose-Pulpe

Angaben zum Bioreaktor: Rührfermenter mit 400 L Arbeitsvolumen (bezogen auf unbegastes Medium)

Bruttovolumen: 600 Liter

Reaktordurchmesser: 0,650 m

Rührer: drei 6-Blatt-Scheibenrührer,

0,225 m Durchmesser

Bewehrung: 4 Strombrecher

Fermentationsmedium:

400 Liter Gesamtmedium: 350 L Rohschlempe mit 10 g/L Cellulose-Pulpe

Inokulum: 50 Liter

Zusatz:

KH₂PO₄ 1.200 g

(NH₄)₂SO₄ 1.920 g

Tween 80 400 g

Cellulose-Pulpe (10 g/l) 4.000 g

Antischaummittel (1:3 verdünnt) 0,27 l

Sterilisation

Temperatur 121°C

Dauer 30 min
Prozessführung:
Inokulum:
Der Bioreaktor wird mit 50 Litern einer Vorkultur beimpft, die in einem Rührfermenter auf Basis von Glucose ohne Substratlimitation und ohne Limitation von Sauerstoff oder anderen Elementen wie beispielsweise Phosphor oder Kalium angezogen wird; die Restkonzentration an Glucose beträgt mindestens 1 g/L.
Hauptkultur:
Fermentation in Batch-Technik

pH-Wert: 5,0:
(der pH wird mit 25%iger NH₄OH und 20%iger H₃PO₄ geregelt. In der ersten Fermentationsphase wird Lauge und in der zweiten Fermentationsphase Säure zur Konstantregelung des pH abgefordert)
Temperatur: 30°C,
pO₂ im Fermentationsmedium: ≥ 20%, bezogen auf Luftsättigung (mittels Begasungsintensität, Regelung der Rührerdrehzahl im Bereich von 350 bis 500 U/min und Regelung des Druckes im Bereich bis 1 bar Überdruck wird gewährleistet, dass der pO₂ nicht auf Werte unter 20% des Luftsättigungswertes – bezogen auf Normaldruck – abfällt)
80 h Fermentationsdauer
Der Verbrauch an Lauge (25%ige NH₄OH) beträgt ca. 2,5 kg, der Verbrauch an Säure (20%ige H₃PO₄) ca. 14 kg.

Enzymaktivitäten:

Nach 80 Stunden Fermentationsdauer resultiert eine Aktivität von 1.220 IU Xylanase/ml, 13,9 U/ml Endoglucanase, 5,46 IU/ml Cellulase (als FPA), und 13,8 g/L gelöstes Protein.
Der Feststoffanteil in Form von Pilzmycel plus nicht-verwertete Reststoffe beträgt 43 g/L, entsprechend einem Anteil der Feuchtbiomasse von 230 g/L.

Nach 80 Stunden wird der Fermentationsprozess beendet. Mittels Separation werden die Feststoffe von der flüssigen Phase getrennt. Die flüssige Phase mit den darin gelösten Enzymen wird mittels der cross-flow-Mikrofiltration (0,45 μm Porenweite der Membran) und cross-flow-Ultrafiltration (Ausschlussgrenze der Membran 10 kDa) zum Enzymkonzentrat aufgearbeitet und konfektioniert.
Die Feststoffe bestehen hauptsächlich aus dem entstandenen Pilzmycel und Resten an nicht verwerteten festen Stoffen der Rohschlempe, insbesondere ligninhaltige Reste wie z.B. Getreidespelzen aus der vergorenen Maische.
Die zwei festen Komponenten unterscheiden sich durch ihre Dichte. Diese physikalische Eigenschaft wird für den Trennvorgang genutzt. Mittels speziell auf die Suspension ausgelegter 3-Phasen-Zentrifuge wird die Flüssigkeit geklärt und die Feststoffe werden fraktioniert ausgetragen. Die Phase mit dem Pilzmycel wird zur Abtrennung des Chitins weiterverarbeitet.

Claims

Verfahren zur Verwertung von Schlempe, dadurch gekennzeichnet, dass anfallende Rohschlempe als Substrat für die Fermentation von Pilzenzymen eingesetzt wird, dass das bei der Enzymfermentation anfallende Pilzmyzel zur Gewinnung von Wertstoffen abgetrennt wird und/oder dass Wertstoffe aus der Rohschlempe vor der Fermentation abgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Enzymfermentation Trichoderma reesei-Stämme verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stamm Trichoderma reesei DSM 7538 oder Trichoderma reesei DSM 7925 eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Enzymfermentation Aspergillus terreus-Mutanten mit reduzierter oder ausgeschalteter C-Katabolitrepression eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stamm Aspergillus terreus DSM 7924 verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohschlempe vor oder während des Fermentationsprozesses weitere C-Quellen oder induzierend wirkende Substanzen zugesetzt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Cellulose, vorzugsweise Abfallcellulose, als C-Quelle/Induktor zugesetzt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsprozess in fed-batch-Technik durchgeführt wird, indem im Anschluss an eine batch-Phase auf Basis von Rohschlempe in fed-batch-Technik weitere C-Quellen oder induzierend wirkende Substanzen kontinuierlich oder diskontinuierlich zugegeben werden.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der fedbatch-Technik als C-Quellen oder induzierend wirkende Substanzen Lactose, in Wasser oder in Dünnschlempe gelöst, zugegeben wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der fed-batch-Technik als C-Quellen oder induzierend wirkende Substanzen Cellulose, in Wasser oder in Dünnschlempe suspendiert, zugegeben wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohschlempe enthaltene Wertstoffe mittels Extraktion abgetrennt werden.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem im Fermentationsprozess anfallenden Pilzmycel das Chitin abgetrennt wird, beispielsweise zur Gewinnung von Chitosan.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der destillativen Abtrennung des Alkohols aus der vergorenen Maische anfallende heiße Rohschlempe nach dem Verlassen des Brennapparates direkt in den Bioreaktor geleitet wird und dass nach Abkühlung auf die Fermentationstemperatur ohne vorherige Sterilisation des Fermentationsmediums die Enzymfermentation durchgeführt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung der Enzymfermentation, wie in den Ansprüchen 1 bis 13 angegeben, etwa 90% des Fermentationsmediums zur weiteren Aufarbeitung bzw. Verwendung entnommen werden und dass die verbleibenden ca. 10% des Fermentationsmediums als Inokulum für eine nachfolgende Fermentation dienen, bei welcher das Rohschlempemedium nach Einstellung auf ungefähr die Fermentationstemperatur zugegeben wird.