DE3631267A1

DE3631267A1 - Process and apparatus for the differential removal of inactive yeast cells from a fermentation broth

Info

Publication number: DE3631267A1
Application number: DE19863631267
Authority: DE
Inventors: Karl Joachim Dr Ing Zeitsch
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1986-09-13
Filing date: 1986-09-13
Publication date: 1988-03-24

Abstract

For the differential removal of inactive yeast cells there is successive removal from the fermentation broth of, in each case, a portion which contains yeast cells and is fed to an apparatus which is under reduced pressure and where the active cells are scooped off the surface in order, after passing through a centrifugal separator, to return to the fermentation broth. Used for this purpose is a reduced pressure tank (6) with an inclined floor (7) at whose end there is provided a cutting plate (8) for dividing the yeast stream. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur differenzierten Abtrennung inaktiver Hefezellen aus einer Mischung von inaktiven und ak tiven Hefezellen in einer Fermentationsbrühe.The invention relates to a method and a direction for differentiated separation of inactive Yeast cells from a mixture of inactive and ac tive yeast cells in a fermentation broth.

Es ist bekannt, daß alle Lebewesen und somit auch Hefezellen eine endliche Lebensdauer haben und bei natürlichem Alterungsprozeß schon vor dem eigentli chen Absterben mehr oder weniger inaktiv werden. Für kontinuierliche Fermentationsprozesse ist es aber erforderlich, die aktive Biomasse konstant zu halten. Da ständig alte Hefezellen inaktiv werden oder absterben, müssen ständig neue, aktive Hefe zellen zugeführt werden. Die gesamte Biomasse würde dadurch ständig zunehmen, was der für kontinuier liche Prozesse zu stellenden Forderung eines sta tionären Zustands widerspricht. In bisher bekannten kontinuierlichen Fermentationsprozessen wird daher ständig ein Teil der Biomasse entnommen und ver nichtet. Bei solchen Verfahren besteht die entnom mene Biomasse aus alten und jungen Hefezellen ent sprechend der im Prozeß befindlichen Population, und ein stationärer Zuständ der Aktivität ist erreicht, wenn die Anzahl der in der Zeiteinheit zugeführten jungen Hefezellen der Summe aus den in der Zeitein heit im Fermenter inaktiv werdenden und den im Abzug entnommenen noch aktiven Hefezellen entspricht. It is known that all living things and therefore also Yeast cells have a finite lifespan and at natural aging process before the actual Chen die more or less inactive. It is for continuous fermentation processes but necessary to keep the active biomass constant hold. Because old yeast cells are constantly inactive or die off, constantly need new, active yeast cells are supplied. The entire biomass would thereby constantly increasing what the continuous processes to be demanded by a sta tional state contradicts. In previously known continuous fermentation processes is therefore part of the biomass is constantly removed and ver not. In such procedures, the entom my biomass from old and young yeast cells speaking of the population in the process, and the activity has reached a steady state, if the number of fed in the unit of time young yeast cells the sum of those in time unit in the fermenter becoming inactive and that in the fume cupboard removed still active yeast cells.

Daraus ergeben sich zwei schwerwiegende Nachteile: Zum einen muß nicht nur die ständig inaktiv wer dende und somit unvermeidlich erforderliche Hefe menge ersetzt werden, sondern sehr viel mehr, wobei die Differenz eben die mit dem Abzug entnommene Menge noch aktiver Hefezellen ist. Zum anderen ver bleiben im Prozeßsystem unter anderem sehr alte und daher tatsächlich abgestorbene Zellen, welche die noch aktiven Zellen vergiften können.This has two major disadvantages: On the one hand, not only those who are constantly inactive yeast, which is inevitably required amount to be replaced, but a lot more, being the difference is the one that was deducted Amount of yeast cells still active. On the other hand ver remain very old and hence actually dead cells that the can still poison active cells.

In Anbetracht dieser Umstände ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch differenzierte Ab trennung der inaktiven Zellen von den aktiven die genannten Nachteile bisheriger Prozesse zu vermei den.In view of these circumstances, it is up to the present invention, by differentiated Ab separation of the inactive cells from the active ones to avoid mentioned disadvantages of previous processes the.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Ver fahren dadurch gelöst, daß aus der Fermentations brühe sukzessive jeweils ein Hefezellen enthal tender Teil entnommen und einem unter vermindertem Druck stehenden Apparat zugeführt wird, wo die mit Kohlendioxidbläschen behafteten, scheinbar leichte ren aktiven Zellen von der Oberfläche abgeschöpft werden, um nach Durchlauf einer Fest-Flüssig-Trenn einrichtung abschließend in die Fermentationsbrühe zurückzugelangen.The task is in the Ver drive solved in that from the fermentation brew successively one yeast cell each removed part and one under reduced Pressurized apparatus is fed where the with Carbon dioxide bubbles, apparently light active cells are skimmed off the surface to go through a solid-liquid separation finally set up in the fermentation broth to get back.

Aktive Hefezellen in einer Fermentationsbrühe un terscheiden sich nämlich von inaktiven dadurch, daß sie Alkohol und daher auch Kohlendioxid produzie ren, während das für die inaktiven Artgenossen nicht der Fall ist. Das von den Zellen produzierte Gas haftet zunächst in Form von Mikrobläschen an der Zellenoberfläche, bis Schereffekte oder Zusam menstöße mit anderen Zellen ein Ablösen der Bläs chen ermöglicht. Dementsprechend unterscheiden sich aktive gegenüber inaktiven Zellen durch den Um stand, daß erstere Kohlendioxidbläschen an der Zelloberfläche aufweisen. Die aktiven Zellen haben daher eine scheinbar kleinere Dichte, weil die Bläschen an ihrer Oberfläche wie Schwimmgürtel wirken. Tatsächlich konnte beobachtet werden, daß inaktive Hefezellen sedimentieren, während aktive Artgenossen in Suspension bleiben oder sogar auf schwimmen. Die scheinbare Dichtedifferenz kann da her zur Abtrennung von inaktiven Hefezellen aus einer Mischung von aktiven und inaktiven Artgenos sen verwendet werden.Active yeast cells in a fermentation broth They differ from inactive in that they produce alcohol and therefore carbon dioxide ren, while that for the inactive conspecifics is not the case. That produced by the cells Gas initially adheres in the form of microbubbles the cell surface until shear effects or together collision with other cells causes the blower to detach Chen enables. Accordingly differ active versus inactive cells by the um stated that the former carbon dioxide bubbles on the Have cell surface. The active cells have hence an apparently smaller density because the Bubbles on their surface like swimming belts Act. In fact it could be observed that sediment inactive yeast cells while active Fellow species remain in suspension or even on swim. The apparent density difference can be there forth for the separation of inactive yeast cells a mixture of active and inactive species sen can be used.

Zur Unterstützung der Aufwärtsbewegung der aktiven Hefezellen wird nach einer Weiterbildung der Erfin dung der Druck im Trennapparat so gewählt, daß nur die Flüssigkeit an den Grenzflächen zu den Kohlen dioxidbläschen verdampft, nicht jedoch der flüssi ge Teil der Fermentationsbrühe in den anderen Be reichen.To support the upward movement of the active After further training, yeast cells become Erfin the pressure in the separator is chosen so that only the liquid at the interfaces with the coals vapors of dioxide evaporate, but not the liquid part of the fermentation broth in the other be pass.

Vorzugsweise wird dem bevorzugt von unten entnom menen Teil der Fermentationsbrühe ein Netzmittel beigegeben. Den größten Effekt erreicht man, wenn der dem Trennprozeß zu unterwerfende Hefezellen strom zu einer dünnen Schicht ausgebildet wird.This is preferably taken from below a wetting agent in the part of the fermentation broth added. The greatest effect is achieved when the yeast cells to be subjected to the separation process current is formed into a thin layer.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einer Vor richtung durchgeführt, die einen Unterdruckbehälter mit einer mit dem Fermentationsbehälter verbindba ren Zuführung sowie einen Separator mit einem ge genüber der Horizontalen geneigten Boden aufweist, an dessen Ende ein parallel zum Boden liegendes Schneidenblech angeordnet ist, welches einen dort auftreffenden Flüssigkeitsstrom in zwei Teilströme zerlegt. Durch richtig gewählten Unterdruck im Apparat ergeben sich auf die vorgenannten Kohlendioxid bläschen an den Oberflächen der aktiven Hefezellen zwei für die beabsichtigte Trennung entscheidende Wirkungen. Zunächst dehnt sich das Kohlendioxid entsprechend dem verminderten Gasdruck aus. Ferner dienen die Bläschen als Verdampfungskeime, weil Verdampfung in eine vorhandene Gasblase hinein immer eher erfolgt als eine Neuschaffung von Dampf blasen in der Flüssigkeit selbst, denn in einer an Flüssigkeit angrenzenden Kohlendioxidblase herrscht der Flüssigkeitsdampfdruck als Teildruck zusätzlich zum Kohlendioxiddruck, während in einer neu ge schaffenen Dampfblase der Flüssigkeitsdampfdruck allein herrschen würde. Die Flüssigkeit in der Grenzfläche zu einer Gasblase siedet somit schon bei höherem Gesamtdruck als die Flüssigkeit in der Grenzfläche zu einer gasfreien Dampfblase innerhalb der Flüssigkeit. Wie bereits oben erwähnt, wird der Druck im Apparat so gewählt, daß die Flüssigkeit in den Grenzflächen zu den Kohlendioxidbläschen siedet, daß aber ein Sieden in der restlichen Flüssigkeit noch nicht auftritt. Auf dieser Basis werden die Kohlendioxidbläschen durch Zufuhr von Alkoholdampf und Wasserdampf zusätzlich zur Selbst ausdehnung des Kohlendioxids vergrößert.The method according to the invention is based on a direction carried out a vacuum tank with a connectable to the fermentation tank ren feed and a separator with a ge has inclined floor with respect to the horizontal, at the end of which is a parallel to the floor Cutting plate is arranged, which one there impinging liquid flow in two partial flows disassembled. By correctly selected vacuum in the device arise on the aforementioned carbon dioxide bubbles on the surfaces of the active yeast cells two decisive for the intended separation Effects. First, the carbon dioxide expands according to the reduced gas pressure. Further the bubbles serve as evaporation nuclei because Evaporation into an existing gas bubble always takes place rather than creating new steam blow in the liquid itself, because in one Liquid adjacent carbon dioxide bubble prevails the liquid vapor pressure as an additional partial pressure to carbon dioxide pressure while in a new ge create vapor bubble of liquid vapor pressure would rule alone. The liquid in the The interface to a gas bubble is already boiling at a higher total pressure than the liquid in the Interface to a gas-free vapor bubble within the liquid. As mentioned above, the Pressure in the apparatus selected so that the liquid in the interfaces to the carbon dioxide bubbles boils, but boiling in the rest Fluid does not yet appear. On this basis the carbon dioxide bubbles are supplied by Alcohol vapor and water vapor in addition to self Expansion of carbon dioxide increased.

Beide der genannten Effekte erhöhen den Auftrieb der an die Bläschen angrenzenden aktiven Hefezel len, so daß letztere auf dem Weg durch den Apparat aufschwimmen und daher in dem oberen Bereich der Flüssigkeit zu finden sind. Die inaktiven Zellen dagegen, die keine Kohlendioxidbläschen auf der Oberfläche aufweisen, erfahren keinen solchen Auf trieb und sinken daher schnell zu Boden, weil ihre Dichte um etwa 116 kg/m³ größer ist als die der Flüssig keit. Von der Schichtströmung und der Erdbeschleu nigungskomponente gefördert werden sie als Unter fraktion ausgetragen.Both of the effects mentioned increase the buoyancy of the active yeast cells adjacent to the vesicles, so that the latter float on the way through the apparatus and can therefore be found in the upper region of the liquid. The inactive cells, on the other hand, which have no carbon dioxide bubbles on the surface, experience no such buoyancy and therefore sink quickly to the ground because their density is about 116 kg / m ³ greater than that of the liquid. They are carried out as a sub-fraction by the stratified flow and the earth acceleration component.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht der Boden des Separators aus hydrophobem Material bzw. ist mit einem solchen Material überzogen, insbeson dere mit Polytetrafluorethylen. Diese Beschichtung verhindert wirkungsvoll ein Haften der Zellen an dieser Wand, weil die London′sche Dispersionskraft zwischen dem Boden und den Zellen wegen der äußerst geringen Polarisierbarkeit der Fluoratome des Poly tetrafluorethylens sehr viel kleiner ist als die analoge Kraft zwischen den Zellen untereinander, so daß die Bodenwand durch die darüberstreichenden Zellen eine ständige Selbstreinigung erfährt. Durch Zusatz winziger Mengen von Netzmitteln, welche die Oberflächenspannung der Flüssigkeit herabsetzen, kann die Haftung der Kohlendioxidbläschen an den Zellen noch vergrößert und damit der Trenneffekt verbessert werden.According to a development of the invention Bottom of the separator made of hydrophobic material or is covered with such a material, in particular with polytetrafluoroethylene. This coating effectively prevents the cells from sticking this wall because of the London dispersion power between the floor and the cells because of the extreme low polarizability of the fluorine atoms of the poly tetrafluoroethylene is much smaller than that analog force between the cells with each other, see above that the bottom wall by the sweeping Cells undergoes constant self-cleaning. By The addition of tiny amounts of wetting agents, which the Reduce the surface tension of the liquid, can adhere the carbon dioxide bubbles to the Cells are still enlarged and thus the separation effect be improved.

Oberhalb des genannten Separators ist ein Abzug vorgesehen, der unter Zwischenschaltung eines Kon densators an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. Damit erreicht man, daß die gasförmigen Bestand teile abgezogen und zum Teil als Kondensat ausge tragen werden können.There is a trigger above the separator provided that with the interposition of a Kon is connected to a vacuum pump. This ensures that the gaseous stock parts removed and partly out as condensate can be worn.

Als Zuführung für den Separator bietet sich vor zugsweise ein Rohrkrümmer und ein sich in Richtung des Separators stark verbreiternder Verteiler an. Der dem Trennprozeß zu unterwerfende Hefestrom wird dem Fermentationsbehälter ganz unten entnommen, weil dieser Bereich wegen des scheinbar höheren spezifischen Gewichtes inaktiver Hefezellen verstärkt von solchen Zellen durchsetzt ist. Durch den Verteiler wird eine möglichst dünne Schicht geschaffen, in der ohne Verwirbelungseffek te eine Aufteilung des Stromes zu inaktiven Hefezellen im unteren Bereich und zu aktiven Hefezellen im oberen Bereich stattfindet.As a feed for the separator is ideal preferably a pipe bend and one towards of the separator widening distributor. The yeast flow to be subjected to the separation process becomes taken from the fermentation tank at the bottom, because this area because of the seemingly higher specific weight of inactive yeast cells is increasingly permeated by such cells. The distributor makes it as thin as possible Layer created in the without swirl effect would be inactive to split the current Yeast cells in the lower area and too active Yeast cells take place in the upper area.

Der oberhalb des Schneidenblechs abfließende Teilstrom wird durch ein Rohr bzw. ein Rohrsystem aufgenommen, das mit einem Zentrifugalseparator verbunden ist. In diesem Zentrifugalseparator wird die Flüssigkeit von den in ihr befindlichen aktiven Hefezellen getrennt, so daß letztere anschließend wieder in die Fermentationsbrühe eingegeben werden können.The one flowing off above the cutting plate Partial flow is through a pipe or pipe system recorded with a centrifugal separator connected is. In this centrifugal separator the liquid from those in it active yeast cells separated so that the latter then back into the fermentation broth can be entered.

Mit dem genannten Verfahren bzw. der beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, aus der Fermentations brühe lediglich die inaktiven Zellen abzutrennen. Da die aktiven Zellen wieder in den Fermenter zurückgegeben werden, arbeitet das Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung auch extrem wirt schaftlich.With the mentioned method or the one described Device it is possible from the fermentation broth only to separate the inactive cells. As the active cells return to the fermenter returned, the process works or the device according to the invention also extremely host socially.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigenAn embodiment of the invention is in the Figures shown. Show it

Fig. 1 eine Darstellung der Verfahrens schritte und Fig. 1 is a representation of the process steps

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 2 is a schematic representation of the device according to the invention.

In Fig. 1 wird ein Fermenter 1 stetig mit einem Junghefestrom A und einem Nährlösungsstrom B be schickt. Gleichermaßen wird ein Strom D entnommen, der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 eine Trennung in ein Althefekonzentrat F und eine die aktiven Zellen enthaltene Überlauffraktion G er fährt. Letztere fließt einem herkömmlichen Zentri fugalseparator 3 zu, der eine Trennung in ein Ak tivhefekonzentrat H und einen zellfreien alkoho lischen Produktstrom J bewirkt. Bezeichnet man den im Fermenter 1 gebildeten Kohlendioxidstrom mit C, so herrscht ein stationärer Zustand, wenn A+B= F+J+C ist.In Fig. 1, a fermenter 1 is continuously sent with a young yeast stream A and a nutrient solution stream B be. Likewise, a current D is withdrawn which, in the device 2 according to the invention, separates into an old yeast concentrate F and an overflow fraction G containing the active cells. The latter flows to a conventional centrifuge separator 3 , which causes a separation into an active yeast concentrate H and a cell-free alcoholic product stream J. If one designates the carbon dioxide stream formed in the fermenter 1 with C , then there is a stationary state if A + B = F + J + C.

Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, wird die Mischung aus aktiven und inaktiven Hefezellen mit Fermentations temperatur aus einem Fermenter über den Rohrkrum mer 4 und einen sich senkrecht zur Zeichenebene stark verbreiternden Verteiler 5 in einen Vaku umbehälter 6 entspannt, wo die Mischung in einer dünnen Schicht d auf einem schwach geneigten, durch PTFE-Beschichtung hydrophob gemachten Boden 7 abläuft. Über dem unteren Bereich des Bodens befindet sich ein Schneidenblech 8, das die Schichtströmung in eine Unterfraktion f und eine Oberfraktion h trennt. Die Haube der Vorrichtung ist über den Flansch 9 unter Zwischenschaltung eines Kondensators 10 an eine Vakuumpumpe 11 ange schlossen. Der Kühlwasserzu- bzw. -ablauf sind mit b und a bezeichnet, der Kondensatabzug mit k.As can be seen in FIG. 2, the mixture of active and inactive yeast cells with fermentation temperature from a fermenter via the Rohrkrum mer 4 and a distributor 5 that widens perpendicularly to the plane of the drawing is expanded into a vacuum container 6 , where the mixture is in a thin layer Layer d runs on a slightly inclined floor 7 made hydrophobic by PTFE coating. Above the lower area of the base there is a cutting plate 8 which separates the layer flow into a lower fraction f and an upper fraction h . The hood of the device is connected to a vacuum pump 11 via the flange 9 with the interposition of a capacitor 10 . The cooling water inlet and outlet are designated with b and a , the condensate drain with k .

Der Flüssigkeitsstrom d besitzt das mit 12 gekenn zeichnete Geschwindigkeitsprofil, wobei das Haften der Zellen an dem Boden 7 durch eine PTFE-Beschich tung minimiert werden kann. Bei Unterdruck steigen die aktiven Zellen in den oberen Bereich des Flüs sigkeitsstroms, während die inaktiven Zellen im unteren Bereich verbleiben. Daraus ergibt sich die Trennmöglichkeit durch das Schneidenblech 8.The liquid flow d has the speed profile marked 12 , and the adhesion of the cells to the base 7 can be minimized by means of a PTFE coating. At negative pressure, the active cells rise in the upper area of the liquid flow, while the inactive cells remain in the lower area. This results in the possibility of separation by the cutting plate 8 .

Claims

1. A method for differentiated separation of inactive yeast cells from a mixture of inactive and active yeast cells in a fermentation broth, characterized in that each yeast cell-containing part is successively removed from the fermentation broth and fed to an apparatus under reduced pressure , where the carbon dioxide bubbles, apparently lighter active cells are skimmed off the surface to finally get back into the fermentation broth after passing through a solid-liquid separator.

2. The method according to claim 1, characterized in net that the reduced pressure is chosen so that only the liquid at the interfaces too the carbon dioxide bubble evaporates, not ever but the liquid part of the fermentation broth in the other areas.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the removed part is a network medium is added.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, because characterized in that the separation process subjecting yeast cell stream to the fermentation container is removed from below.

5. The method according to claim 4, characterized in net that the person to be subjected to the separation process Yeast cell stream into a thin layer is formed.

6. Device for performing the method according to Claims 1 to 5, characterized in that a vacuum tank one with the fermenta tion container connectable feed and a Separator with one opposite the horizontal inclined bottom, at the end of a pa Cutting plate lying parallel to the floor arranges which one hits there Liquid flow broken down into two partial flows.

7. The device according to claim 6, characterized records that the bottom made of hydrophobic material exists or covered with such a material gen is.

8. The device according to claim 7, characterized through PTFE (polytetrafluoroethylene) as hydro phobic material.

9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that above the Separa tors a deduction is provided, the interim switching a capacitor to a vacuum pump is connected.

10. The device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the feed out a pipe bend and one towards the Separators widening distributor be stands.

11. The device according to one of claims 6 to 10, characterized in that the above the Cutting sheet flowing partial stream one Centrifugal separator is supplied.