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Verfahren zur gleichzeitigen Herstellnng von Butylalkohol und Azeton durch Giirullg.
Gegenstand der Erfindung ist die Herstellung von Butylalkohol und Azeton durch Vergärung von Kohlenhydraten mit Hilfe von Bakterien der Speeies Bac. amylobacter A. M. et Bredemann (Zentralblatt für Bakteriologie 1909 [II. Abt.] 23,385), die durch Züchtung an steigende Mengen von Säure gewöhnt worden sind.
Nachdem Fernbach festgestellt hatte (D. R. P. Nr. 323533), dass bei der Vergärung von Kohlenhydraten oder kohlenhydrathaltigen Stoffen durch Gärungserreger vom Typus Bac. butylicus Fitz" unter Luftabschluss als Hauptprodukt Butylalkohol und Azeton neben geringen Mengen anderer Alkohole entstehen, ist dieses Verfahren in den Vereinigten Staaten von Nordamerika rasch bis zu grosser industrieller Bedeutung entwickelt worden. Als Ausgangsprodukte können sowohl stärkehaltige als auch zuckerhaltige natürliche Rohstoffe dienen, indem die Erreger der bakteriellen azeton-butylalkoholischen Gärung-
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von allen bisher verwendeten Gärungserregern im festen Verhältnis von 2 : 1 gebildet. Die Ausbeute an "Lösungsmitteln" schwankt zwischen 21-25%. auf trockenen Mais berechnet.
Daneben entstehen als gasförmige Gärungsprodukte Kohlensäure und Wasserstoff.
Die Entwicklung dieser Art von Gärung bis zum gegenwärtigen Stand der Technik ist insbesondere durch die Erkenntnis gefördert worden, dass man zur regelmässigen Erzielung kräftiger Gärungen von
Kulturen ausgehen muss. die keine vegetativen Formen, sondern ausschliesslich Sporen enthalten. Man verwendet demgemäss zur Aussaat Kulturen, die kurze Zeit auf etwa 950 erhitzt worden sind. Weiter hat sich ergeben, dass die bei der Gärung entstehenden Säuren nicht mit Kreide abgestumpft werden dürfen. Vielmehr ist für den regelrechten Verlauf der Gärung Erfordernis, dass die Azidität anfangs stetig ansteigt, bis sie ein Maximum erreicht, um sodann bis zum Schluss der Gärung wieder stetig abzusinken.
Die Gärungskurve hat sich zu einem wichtigen Mittel der Betriebsüberwachung herausgebildet : wenn die Azidität sehr langsam oder etwa auch gar nicht zumckgeht, so ist dies ein sicheres Zeichen dafür, dass die Maischen infiziert sind oder der Gärungserreger selbst geschwächt ist. Der Kohlenhydratgehalt der Maischen muss wesentlich unter den Konzentrationen liegen, die bei der alkoholischen Gärung zulässig sind ; die oberste Grenze wird mit 8% Stärke angegeben. Die Erreger der azeton-butylalkoholischen Gärung sind also gegen ihre eigenen Stoffwechselprodukte empfindlicher als die Hefe.
Trotz geringerer Konzentration ist aber die Viskosität der Maischen, welche durch Dämpfen der Ausgangsprodukte unter Druck hergestellt werden, insbesondere bei der Verarbeitung von Maismehl, beträchtlich, weshalb vorgeschlagen worden ist, diese Druckkochung unter Zusatz jener beschränkten Mengen von Salzsäure auszuführen, welche gerade ausreichen, um die im Mehle enthaltenen Diphosphat in Monophosphate überzuführen. Schliesslich hat schon Fernbach empfohlen, den eingemaisehten kohlenhydrathaltigen Rohstoffen erforderlichenfalls aufgeschlossene oder teilweise abgebaute Hefe als Nährstoff zuzusetzen.
Neben diesen für die technische Entwicklung des Verfahrens mehr oder minder wichtigen Vor- schlägen finden sich, insbesondere in Patentschriften, Angaben über verschiedene Organismen, welchen für diesen Prozess spezifische Eignungen zugeschrieben werden. So sollen nach Weizmann (österr. Patent Nr. 95449) im allgemeinen hitzebeständige, unter anderm im Boden und auf Feldfrüchten vorkommende Bakterien verwendet werden, die Gektine verflüssigen und ohne Mitveiwendung von Hefe od. dgl. den
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unmittelbar in eine Mischung von Butylakohol und Azeton verwandeln.
Andere haben geglaubt, besondere Arten von Mikroorganismen für diesen Zweck gefunden zu haben, welche sie beschreiben und benennen. Es ist aber von bedeutenden Forschern behauptet und zum Teil nachgewiesen worden, dass diese Organismen nur dem Namen nach verschieden sind und durchweg der Species Bacillus amylobacter A. M. et Bredemann angehören, indem etwa auftretende morphologische und physiologische
Verschiedenheiten nur durch die Auswirkung der verschiedenen Nährmedien und Züchtungsverfahren verursacht sind.
Tatsächlich ist es durch langjährige Versuche gelungen, die Eigenschaften des Bac. amylobaeter A. l'rI. et Bredemann durch ein besonderes Züchtungsverfahren derart zu beeinflussen, dass er befähigt wird, unter geeigneten Verhältnissen Stärke oder sonstige Kohlenhydrate vollständig zu vergären, u. zw. mit dem bekannten Ergebnis, dass neben den gasförmigen Gärungsprodukten (Kohlensäure und Wasserstoff) ein Gemisch von normalem Butylalkohol und Azeton im Verhältnis von 2 : 1 neben geringen Mengen anderer Alkohole gebildet wird.
Den Gegenstand der Erfindung bildet zunächst dieses besondere Züchtungsverfahren, welches von der Tatsache ausgeht, dass alle Erreger der azeton-butylalkoholisehen Gärung, welchen Namen immer man ihnen gegeben hat, äusserst säureempfindlich sind, indem sie in sauren Nährmedien degenerieren, asporogen werden und schliesslich zugrunde gehen. Das Ziel der Erfindung ist, die Empfindlichkeit der Gärungserreger dieser Art gegen freie Säure durch allmähliche Gewöhnung herabzusetzen.
Das zur Verwirklichung dieses Erfindungsgedankens gefundene Verfahren besteht im Wesen darin, dass man den Baeillus A. M. et Bredemann auf Nährböden mit steigender Anfangsazidität ohne Abstumpfung der
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während der Gärung gewisse Grenzen überschreitet, wobei der Pufferungsgrad der Nährmedien in den aufeinanderfolgenden Gewohnungsgärungen entsprechend der steigenden Anfangsazidität gesteigert wird. Zur Pufferung sind insbesondere die bekannten Systeme : Gemische von schwachen Säuren mit ihren Alkalisalzen (vgl. Michaelis, Die Wasserstoffionenkonzentration, S. 37 ff. und S. 89 ff.) geeignet.
Der Pufferungsgrad Tt wird schematisch als der Differentialquotient von pl, nach der zugesetzten Säure (oder Lauge) ausgedrückt, u. zw. streng genommen als partieller Differentialquotient bei einem bestimmten pl,. Der zahlenmässige Betrag der Pufferung wird bekanntlich durch Messung der Änderung des plI-Wertes bei Zusatz einer bestimmten kleinen Menge Säure oder Alkali in einer gegebenen Menge des Gärmediums bestimmt. Die Zusätze müssten theoretisch unendlich klein sein, praktisch ist die untere Grenze durch die Genauigkeit der Ph-Bestimmungsmethode gesetzt. Um vergleichbare Messergebnisse zu erhalten, muss die zugesetzte Säure (Lauge) menge bei allen Versuchen konstant sein.
Den unten angeführten r : -Werten liegt die folgende bekannte Bestimmungsmethode zugrunde. Es werden je drei Proben des Gärmediums, u. zw je 1 cm3, gleichzeitig entnommen. In einer dieser Proben wird das p/, nach einer üblichen Methode gemessen. Der zweiten Probe werden 0'5 cm"K/100 HSO, der dritten 0'5 cm nj100 NaOH zugesetzt, worauf der pli-sert auch in diesen beiden Proben nach derselben lethode gemessen wird. Die Änderungen der ph-Werte sind der Pufferung : indirekt proportional. Die Beträge dieser Änderungen sollten theoretisch bei verschiedenen Vorzeichen denselben Wert haben.
Praktisch zeigen sich zwischen den Änderungen des plI-Wertes, die durch äquivalente Mengen Säure und Lauge hervorgerufen werden, oft bedeutende Abweichungen. Bei der praktischen Bestimmung wird das arithmetische Mittel der reziproken Werte der Änderungen des plI-Wertes nach der sauren und nach der alkalischen Seite hin als angenommen. Zur Bestimmung des pl, wurde die bekannte Indikatorfolienmethode von Dr. Peter Wulff (D. R. P. Nr. 405091) verwendet.
Der Pufferungsgrad der Nährmedien der aufeinanderfolgenden Gewöhnungsgärungen wird unter Anwendung dieser Bestimmungsmethoden derart geregelt, dass er von etwa 4 am Beginn der Züehtllngs- reihe langsam ansteigt. Dabei hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, zur Pufferung des Gärmediums gut puffernde Stoffgemisehe von gleicher Art mitzuverwenden, wie sie hernach in den Hauptgärungen dem kohlenhydrathaltigen Ausgangsstoff als stickstoffhaltige Nährstoffe zugesetzt werden (z. B. Malzkeime, abgetötete und zweckmässig abgebaute Hefe, Harnstoff, Ammoniumphosphat od. dgl.). Hiedureh wird erreicht, dass der Mikroorganismus mit der Gewöhnung an steigende Säuremengen gleichzeitig auch an steigende Mengen solcher stickstoffhaltiger Nährstoffzusätze gewohnt wird.
Zur Ansäuerung der Nährmedien dieser Gewöhnungsgärungen werden am besten organische Säuren, vorzugsweise Milchsäure, verwendet. Man kommt zu den günstigsten Ergebnissen, wenn man
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oben beschriebene Gewöhnungsgärung ausgenutzt, um die Reinheit der Hauptgärung in einem bisher nicht erreichten Grad und im Zusammenhang damit die regelmässige Erzielung höchster Ausbeuten sicherzustellen.
Unter diesen Arbeitsbedingungen werden im Höhepunkt der Hauptgärung Säuremaxima von 8 bis 90 erreicht. Es werden also von den an Säure gewöhnten Organismen auch im Zuge der Gärung weitaus grössere Säuremengen gebildet, als dies bei der azeton-butylalkoholisehen Gärung bisher beobachtet wurde.
Ausführungsbeispiel : 100 ! der maische sollen etwa 35-37 Kartoffeln oder 9-10 kg Maismehl enthalten. Andere stärkehaltige Materialien werden entsprechend ihrem Stärkegehalt zu Maischen gleicher Konzentration (6-7% reine Stärke) verarbeitet. Man bringt die Kartoffeln unzerkleinert, Mais od. dgl. in Mehlform mit der geeigneten Wassermenge in Autoklaven ein, die mit Rohrwerken ausgestattet sind, und dämpft bei einem Druck von 2 bis 3 Atm. etwa 1-2 Stunden. Die Nährstoffzusätze (abgetötete oder autolysierte Hefe oder Malzkeime in Verbindung mit Harnstoff oder Ammoniumphosphat oder Ammoniumsulfat oder mit ähnlichen stickstoffhaltigen Stoffen in verschiedenartigen Kombinationen) werden der Maische zweckmässig schon im Autoklaven zugefügt.
Passende
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keime und 40 g Ammoniumsulfat. Die Maische wird unmittelbar in vorher sorgfältig sterilisierte mit Rührwerken versehene Gärgefässe, die vollkommen geschlossen und mit einem zum Abfangen der entweichenden Gase geeigneten Gäraufsatz versehen sein müssen, ausgeblasen. Nach Einstellung der
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apparate hindurchgehen lassen.
Wenn die Hauptmaische zum Anstellen bereit ist, muss auch der zum Anstellen dienende Bakterien- ansatz von geeignetem Volumen fertig sein. Zu seiner Herstellung überimpft man Bacterium amylobact@r W. oder S. nach kurzer Erhitzung auf etwa 900 auf 100 cm3 eine annähernd in gleicher Weise wie die
Hauptmaisehe bereiteten Nährbodens und überlässt ihn bei 37-38 C unter anaeroben Bedingungen der Entwicklung. Nach etwa 48 Stunden beginnt das Wachstum und die Entwicklung der Oidien. Nachdem man sich von der einwandfreien Beschaffenheit der Kultur überzeugt hat, erfolgt die Uberimpfung auf etwa zwei Liter steriler Maische von gleicher Beschaffenheit und nach etwa 24 Stunden auf etwa 20 Liter gleichartiger Maische.
Nach weiteren 24 Stunden kommen diese 20 Liter in eine vorbereitete Maische von 200 bis 300 Litern, welche nach weiteren 24 Stunden in die inzwischen zum Anstellen fertiggemachte Hauptmaische übergeführt wird.
Während der Gärung der Hauptmaisehe werden mindestens viermal täglich neben der bakteriologischen Kontrolle und der Titrationsazidität, pl, und Pufferungsgrad festgestellt, was unter Umständen zum Zusatz weiterer Pufferstoffe führt. Nach etwa 30-32stündiger Gärung, während welcher die gärende Maische ab und zu vorsichtig gerührt werden muss, ist der Höhepunkt der Gärung und damit auch das
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Nach etwa 48 Stunden ist die Gärung beendet, d. h. es ist in der Maische weder Stärke noch Zucker praktisch nachweisbar.
Nach Beendigung der Gärung werden die gebildeten Hauptprodukte (Butylalkohol und Azeton) im üblichen Verfahren durch fraktionierte Destillation gewonnen. Die geringen Mengen anderer Alkohole lassen eine abgesonderte Gewinnung nicht wirtschaftlich erscheinen.
Die während der Gärung entweichenden Gase, Wasserstoff und Kohlensäure, können, wie dies
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durch Gewöhnung an gewisse Stoffe, welche bei der sogenannten trägen Gärung (sluggish fermentation) in der Maische vorhanden sind, in einen Zustand zu bringen, durch den das Eintreten dieser epidemisch auftretenden Betriebsstörung vermieden werden soll.
Diese Stoffe bleiben bei sorgfältiger Filtration der Maische durch Bakterienfilter in ihr zurück ; auch aus andern Gründen wird auf die ultramikros-
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Desgleichen ist auch schon bekannt, die Kulturen einem oder mehreren selektiven Prozessen zu unterwerfen, wobei diese in einer Nährlösung gezüchtet werden, der geringe Mengen der durch Gärung zu gewinnenden Produkte zugesetzt werden. In diesem Fall handelt es sich darum, die Gärungserreger gegen Azeton bzw. Butylalkohol widerstandsfähig zu machen. Mit diesen beiden Vorschlägen hat das Verfahren nur die allgemein bekannte bakteriologische Methode der Gewöhnung von Mikroorganismen an bestimmte Stoffe durch wiederholte Züchtung in Gegenwart dieser Stoffe gemeinsam.