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Gärverfahren zur Züchtung von Mikroorganismen oder zur Gewinnung von Gärungserzeugnissen.
Die Erfindung betrifft ein Gärverfahren zum Züchten von Mikroorganismen oder zum Gewinnen von Gärungserzeugnissen.
Beim Vergären von Lösungen und beim Züchten von Mikroorganismen treten sowohl bei periodischen als auch bei kontinuierlichen Prozessen leicht Infektionen und Verunreinigungen auf. Es stellen
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die sogenannte natürliche Reinzucht nach Delbrück begünstigenden Bedingungen (z. B. bestimmte Temperaturen, bestimmte Säuregrade, Bakteriengifte, welche von anderen als den angewendeten Mikroorganismen schwer vertragen werden) eingehalten werden.
Durch die fremden Mikroorganismen werden entweder vorhandene Nährstoffe dem beabsichtigten Prozess entzogen und zu unerwünschten Produkten abgebaut oder umgewandelt, oder erwünschte bereits erzeugte Gärungsprodukte oder gezüchtete Mikroorganismen werden mehr oder weniger zerstört.
Ausserdem kann durch Bildung und Ausfällen von Salzen und Sinkstoffen'eine Verunreinigung der Mikroorganismen mit organischen oder mit anorganischen Stoffen eintreten, die in manchen Fällen als sehr störend empfunden wird.
Der wesentliche Erfindungsgedanke des hier beschriebenen neuen Verfahrens besteht darin,
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Es ist bekannt, so vor allem bei alkoholischen Gärungen mittels Hefe, mit der Bodensatzhefe oder mit einem Rest vergorener hefehaltiger Würze oder mit aus der vergorenen Würze abgesetzten oder abzentrifugierten Mikroorganismen neue gleiehaitige Gärungen anzustellen. Einer besonderen Reinigung werden die Mikroorganismen während der Gärungsdauer bei keinem der bekannten Verfahren unterworfen.
Wenn eine stärkere Infektion oder sonstige Verunreinigung festgestellt worden ist, erfolgt nach den bisher üblichen Methoden eine Reinigung, u. zw. in der zwischen einzelnen Gärungs- führungen liegenden Zwischenzeit, nach welcher die Mikroorganismen neuerdings so oft als möglich, d. h. so oft, bis wieder eine stärkere Infektion oder Verunreinigung festgestellt werden kann, für neue gleichartige Gärungen verwendet werden. Bei bekannten vollkontinuierlichen Gärverfahrcn, beispielsweise beim Fesselhefeverfahren, wird die gesamte angewendete Hefe so lange benutzt, bis eine Weiterführung der Gärung wegen Verunreinigung oder Infektion nicht mehr möglich ist. Dann wird die Hefe entfernt oder abgetötet und durch frische Hefe ersetzt.
Bei einem Hefezüchtungsverfahren, welches in mehreren hintereinandergesehaltetcn GärgefäJ3ell ausgeführt wird, wird frische Maische mit Saatgut in das erste Gefäss eingebraeht, die gesamte hefehaltige Würze in das in der Serie nächstfolgende Gärgefäss übergeleitet und die verbrauchte Würze mit der gebildeten Hefe demletzten Gärgefäss entzogen. Das einzelne Gärgefäss kann nach Abgabe seines Inhaltes an ein anderes Gärgefäss, ohne dass der Gärvorgang in der ganzen Serie unterbrochen wird, gereinigt werden.
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Nach einem andern Verfahren wird die Gärflüssigkeit mit den durch künstliche Mittel suspendierten Mikroorganismen bis zur Erschöpfung auf-und absteigend nach dem Auslass des Gargefässes zugeführt ; auf dem letzten Teil des Weges der verbrauchten Garflüssigkeit sind künstliche Mittel zur Erhaltung der Suspension nicht vorgesehen, so dass sich die suspendierten Mikroorganismen zufolge des höheren spezifischen Gewichtes-ausscheiden. Die dortselbst ausgeschiedenen Mikroorganismen werden zusammen mit einem Teil der erschöpften Nährlösung der Eintrittsstelle der frischen Nährlösung, ohne das Gärgefäss zu verlassen, zugeführt und gelangen unter Vermischung mit der frischen Nährlösung erneut in Suspension.
Durch das Sedimentieren der Mikroorganismen im letzten Teil des Gärgefässes findet lediglich eine Abtrennung der verbrauchten Nährlösung von dem zurückzuführenden Anteil der erwünschten Mikroorganismen statt. Alle Verunreinigungen, die ein höheres spezifisches Gewicht als die verbrauchte Nährlösung selbst besitzen, wie Salze, Koagulate, fremde Mikroorganismen usw., werden mit der Hefe oder den gerade erwünschten Mikroorganismen gemeinsam sedimentiert und der Gärung wieder zugeführt. Diese bei einfachem Sedimentieren gemeinsam mit der Hefe aus der verbrauchten Nährlösung abtrennbaren Stoffe sind die wesentlichen Verunreinigungen der Hefe bzw. anderer in Gärprozessen gezüchtete oder wirkender Mikroorganismen.
Die Entnahme von Miroben aus dem Gärgefäss erfolgt entweder durch Abziehen von Bodensatz oder durch Herausnehmen von mehr oder weniger vergorener Würze, welche Mikroorganismen in Suspension enthält. Aus der entnommenen Würze können die Mikroorganismen durch Absetzen, durch Ausfällen mittels Zusatz von Alkalien (pH-Verschiebung) oder von Phosphaten oder durch andere bekannte Methoden abgetrennt werden. Etwa vorhandene Treber können aus der Würze vor der Ab- trennung der Mikroorganismen durch Siebe entfernt werden.
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haltige Würze entnommen, welche nicht aufgebraucht oder zu Ende gegoren ist, so wird diese, nachdem die Mikroorganismen und sonstige suspendierte Teilchen, wie Salze und Sinkstoffe, abgetrennt worden sind, dem Gärgefäss wieder zugeleitet.
Die gereinigten Mikroorganismen bzw. diese und frisches Saatgut können gegebenenfalls vor der Einführung in das Gärgefäss in der entnommenen, von Mikro-
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zugeleitet werden.
Werden die zu reinigenden Mikroorganismen aus vergorener, bzw. aufgebrauchter Würze abgetrennt, so kann die Würze, nach Abtrennung der Mikroorganismen unmittelbar der zur Gewinnung von Gärungsprodukten dienenden Einrichtung, z. B. Destillierkolonne, zugeleitet bzw. kann die ver- brauchte Nährlösung bei der Zucht von Mikroolganismen abgeleitet werden. Diese Methode kommt vor allen Dingen für kontinuierliche Verfahren, z. B. Zulaufverfahren, Versehniitverfahren und vollkontinuierliche Verfahren in Betracht, bei denen fortgesetzt oder zeitweise vergorene oder aufgebrauchte
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tragen werden. Behandlung bei bestimmten Temperaturen, starke Belüftung, Vermeidung von Luft, Behandlung mit bestimmten Gasen oder sonstige Mittel.
Der Reinigung durch fraktioniertes Sedimentieren oder Separiert n kann auch eine andere vorausgehen, z. B. Ausfällen mit Alkali oder Zusatz von Phosphaten, Reinigungswaschung oder sonstige
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derselben abwechselnd mit verschiedenen Methoden zur Reinigung behandelt werden.
Das Aufschwemmen und Absitzenlassen kann durch andere Methoden ergänzt werden, beispielsweise können die zuletzt in Suspension verbliebenen Mikroojganismen durch Ausfällen oder Abzentrifugieren aus der Suspension abgetrennt werden. Die einzelnen Fraktionen können wiederholt von neuem aufgeschwemmt und in Fraktionen getrennt werden. Durch Änderung der zur Suspendierung verwendeten Flüssigkeit, vor allen Dingen durch Änderung der Wasserstoffionenkonzentration derselben, können die das Absetzen verursachenden Bedingungen weitgehend beeinflusst werden.
Durch Lagerung bei tiefen Temperaturen können gereinigte Mikroorganismen längere Zeit haltbar gemacht und später wieder in Gärprozessen verwendet werden, wenn die sofortige Wiederverwendung wegen Betriebsunterbrechungen oder aus ändern Gründen nicht möglich ist.
Bei vollkontinuier1ichen Gär-und Mikroorganismen-Zuehtverfahren kann auf eine andere Entnahme von Mikroorganismen zu Reinigungszwecken, ausser den mit der vergorenen Lösung abschwimmenden, in der Regel verzichtet werden, da bakteriolcgische Verunreinigungen in vielen Fällen'zum grossen Teil in der vergorenen Lösung abschwimmen. Es genügt. dann, die aus der abgelaufenen ver-
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frisehung unterzogen.
Wenn dagegen Infektionen vorhanden sind, die mit der vergorenen Lösung nicht oder sehr unvollkommen abfliessen, oder wenn Salze oder andere Mineralstoffe oder sonstige Sinkstoffe sich im Gärgefäss ansammeln, muss neben der Reinigung der Mikroorganismen aus der abgelaufenen vergorenen Würze noch die Reinigung von Mikroorganismen aus dem Bodensatz oder der gärenden Würze erfolgen, je nachdem, an welcher Stelle die Verunreinigungen oder Infektionen in der höchsten Konzentration vorhanden sind. Gegebenenfalls kann dann die Reinigung und Wiedereinführung der Mikroorganismen aus der abgelaufenen Würze in den Prozess unterbleiben.
Die Leistung des bekannten Fesselhefegärverfahrens lässt sich bei Anwendung des neuen Verfahrens weitgehend steigern. Gleichzeitig machen sich. die in der Reinerhaltung der Hefe liegenden Vorteile bemerkbar, die mit dem neuen Verfahren verbunden sind. Bei entsprechend hoher Durch- flussgeschwindigkeit der zu vergärenden Lösung durch die Fesselhefebottiche werden viel Mikroorganismen, u. zw. besonders schädliche Bakterien und Sinkstoffe, von der vergorenen Lösung ans dem Gärbottich hinausgeschwemmt. Durch fortwährende Wiedereinführung von gereinigter Hefe wird die auf den Einbauten oder Füllkörpern des Gefässes sitzende Hefe wieder ergänzt und aufgefriseht.
Vorteilhaft ist das Verfahren in gleicher Weise auch für die Durchführung von Bakterien-Fessel- gärungen, z. B. von gefesselter Milchsäuregärung und gefesselter Essigsäuregärung.
Ausführungsbeispiele :
1. Bei der Glyc'eringärung in Einzelführungen wird die Würze nach Zusatz von Sulfit mit etwa 6% Hefe angestellt. Nach Verlauf von 4 Stunden wird ein Viertel des Gärgefässinhaltes abgelassen und die Hefe daraus abgetrennt. Die hefefreie Würze wird dem Gärgefäss wieder zugeleitet. Ferner wird dem Gärgefäss eine solehe Menge frischer Hefe wieder zugeleitet, dass die Hefekonzentration wieder 6% beträgt. Die aus der entnommenen Würze abgetrennte Hefe wird in einem belüfteten Züchtungsbottich
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fraktioniertes Separieren in etwa 90% reine Hefe und 10% verunreinigte Hefe getrennt.
Das zweimalige fraktionierte Separieren erfolgt so, dass die aus der Würze nach der Reinigungsgärung durch Separieren abgetrennte Hefe mit etwa 22% Presshefegehalt in einem Separator, der so hoch belastet ist, dass beide Fraktionen hefehaltig sind, in eine Fraktion mit etwa 50% Presshefegehalt, die die schwereren Verunreinigungen enthält, und in eine Fraktion mit etwa 10% Presshefegehalt, die
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etwa 20% Presshefegehalt verdünnt und nochmals durch Separieren in zwei hefehaltige Fraktionen zer- legt, von denen die schwerere mit 50% Presshefegehalt die schwereren Verunreinigungen enthält, während die leichtere mit etwa 22-25% Presshefegehalt praktisch frei von Verunreinigungen ist.
Die beim erstmaligen fraktionierten Separieren erhaltene leichtere Fraktion wird nochmals fraktioniert separiert, u. zw. so, dass die leichtere Fraktion sehr wenig Hefe und alle leichten Verunreinigungen enthält. Die schwerere Fraktion ist in diesem Fall praktisch rein. Aus den beiden 10% der gesamten
Hefe und die Verunreinigungen enthaltenden Fraktionen wird nach Abtrennen der Sinkstoffe, z. B. durch
Erwärmen auf 60-800 C, Autolysat gewonnen, welches bei der folgenden Lüftungszüchtung bei pH = 5 (Reinigungsgärung) als Nährstoff zugesetzt wird, während die beiden reine Hefe enthaltenden Frak- tionen in das Gärgefäss zurückgeleitet werden.
Nach weiteren 4 Stunden wird dem Gärgefäss abermals ein Viertel des Inhaltes entnommen, daraus die Hefe abgetrennt und die Würze in das Gärgefäss zurückgeleitet. Die abgetrennte Hefe wird einer Lüftungszüchtung unter Verwendung des Autolysats der verunreinigten Fraktion als Nährstoff- träger unterworfen und dann wieder in eine der von Würze abgetrennten Hefemenge entsprechende
Menge gekräftigte und gereinigte Hefe und in eine dem Zuwachs entsprechende Menge unreine Hefe durch fraktioniertes Zentrifugieren zerlegt. Die unreine Fraktion wird autolysiert und die reine Fraktion mit der Würze in das Gärgefäss zurückgeführt.
Der gleiche Vorgang wird alle 4 Stunden bis zur Beendigung der Gärung wiederholt. Die Gesamt- zeit der Gärung ist infolge fast gleicher Aktivität der Hefe bis zum Schluss um etwa 20 bis 25% kürzer als ohne die Zwischenreinigung der Hefe. Die Hefe ist nach Beendigung der Gärung für weitere Gärungen gleicher Art sofort wieder verwendbar.
2a. Bei einem mit kontinuierlichem Zufluss und kontinuierlichem Abfluss arbeitenden Gärver- fahren für Hefeerzeugung wird aus der abfliessenden verbrauchten Nährlösung die Hefe abgetrennt.
Der abgetrennte Hefebrei mit etwa 50% Presshefegehalt wird mit so viel Wasser versetzt, dass sich der
Presshefegehalt auf etwa 30% vermindert, und dann einem zweiten kleineren Separator zugeleitet, der so hoch belastet ist, dass beide Fraktionen hefehaltig bleiben. In der einen durch die Düsen austretenden.
Fraktion mit etwa 50% Presshefegehalt sind alle Verunreinigungen, die schwerer sind als Hefe, an- gereichert, während die überlaufende Fraktion neben einem Presshefegehalt von etwa 20% solche Ver- unreinigungen enthält, die nicht schwerer als Hefe sind. Die schwerere Fraktion mit etwa 50% Press- hefegehalt wird zweckmässig nochmals mit Wasser auf etwa 30% Presshefegehalt verdünnt und noch- mals separiert, wobei dann die neue schwerere (verunreinigte) Fraktion mit 50 0 Presshefe als Ernte gewonnen wird-, während die leichtere (reinere) Fraktion, gegebenenfalls nach Säurewaschung, dem Gärgefäss wieder zugeleitet wird.
Die beim erstmaligen fraktionierten Separieren der im Separator aus
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zweistündigen Änderung auf pH = 3 dem Gärgefäss wieder zugeleitet. Die hefeärmere Fraktion wird durch nochmaliges Separieren in Hefebrei und Würze getrennt und erstere geerntet.
Auf diese Weise werden die Verunreinigungen im Gärgefäss auf ein geringes Mass beschränkt, so dass auch in den die Verunreinigungen enthaltenden geernteten Fraktionen die Verunreinigungen unbeträchtlich sind. Die Gärung kann praktisch beliebig lange Zeit ohne Abbrechen und Neuanstellen mit frischer Hefe weitergeführt werden, da auftretende Infektionen im Keime erstickt werden.
2b. An Stelle des fraktionierten Separieren kann für die Abtrennung einzelner oder aller Frak-
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Sinkstoffe von der Hefe vor deren Rückleitung in das Gärgefäss abgetrennt werden. Der einfachste
Fall-wenn als Verunreinigungen nur solche Salze oder Sinkstoffe abgetrennt werden sollen-besteht darin, dass von dem aus dem Gärgefäss herausgenommenen-von der Würze vorher zweckmässig durch
Separieren abgetrennten-Hefebrei die Sinkstoffe durch Absitzenlassen abgetrennt werden und die
Hefe sodann in das Gärgefäss zurüekgeleitet wird. Die Sinkstoffe mit der mitgerissenen Hefe können bei Hefezüchtung geerntet werden.
3. Für die Fesselgärung von Sulfitablauge mittels Hefe zur Erzeugung von Alkohol wird die
Abmessung des Gärbottichs so gewählt, dass die Geschwindigkeit der gärenden Lauge beispielsweise etwa 0, 5 bis 1 em/sec. beträgt.
Ablagerungen von Sinkstoffen werden infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeit dabei stark verringert, so dass eine längere Betriebszeit als sonst bis zum Wechsel der gefesselten Hefe möglich ist.
Das erforderliche Gärvolumen kann bei der erhöhten Geschwindigkeit durch Hintereinanderschalten einzelner Bottich mit entsprechend geringeren Querschnitten erreicht werden, um zu hohe Bottich zu vermeiden. Die Geschwindigkeit des Durchflusses der gärenden Lauge kann je nach Art der Fessel- einbauten und der Konzentration der Lauge und der verwendeten Mikroorganismen verschieden gewählt werden. Die Geschwindigkeit soll so hoch sein, dass ein geringer Teil der Hefe oder sonstiger angewendeter
Mikroorganismen mitgespült wird, damit die fortwährende Erneuerung der gefesselten Mikroorganismen gewährleistet ist.
Die von der Sulfitablauge mitgenommene Hefe und Verunreinigungen werden mittels Separa- toren aus der vergorenen Lauge abgetrennt, nach Beispiel 1 gereinigt und gemeinsam mit frischer unvergorener Sulfitablauge dem Gärsystem wieder zugeleitet. Die wieder zugeleitete Hefe siedelt sich auf den Hefeträgern wieder an, und es findet auf diese Weise eine fortwährende Erneuerung der ge- fesselten Hefe statt, so dass die Gärung besser und schneller verläuft.
Der Ersatz der mit der unreineren Fraktion dem System entzogenen Hefe findet durch Wachstum der gefesselten Hefe statt. Die unreineren Fraktionen werden durch Erwärmen plasmolysiert (autoly- siert) und der frischen Sulfitablauge als Hefenährmittel zugesetzt.
Dieses Beispiel gilt mit besonderer Berücksichtigung der vorstehenden Bemerkung auch für andere Gärflüssigkeiten, andere Gärungserreger und andere Gärungsprodukte.
Die Umwandlung des verunreinigten Teiles der Mikroorganismen durch Autolyse in Nährstoffe für die Zucht des Saatgutes oder zur Mitbenutzung als Nährstoff für das eigentliche Gärverfahren oder Mikroorganismen-Zuchtverfahren ermöglicht es, die Verluste durch Infektion wenigstens in der Nähr- stoffbilanz etwas auszugleichen.
Das neue Verfahren ist besonders in allen den Fällen vorteilhaft, in denen die Infektionsgefahr besonders gross ist, sei es wegen langer Dauer des Gärungs-oder Vermehrungsprozesses, sei es wegen der für irgendwelche Infektionen besonders günstigen Temperatur oder wegen der Zusammensetzung der Würze bzw. des Nährmediums oder der Art der verwendeten Mikroorganismen. Beispiele dafür sind die Vergärung von Pentosen (Zeit, Nährmedium), die Erzeugung von Milchsäure (Zeit), von
Zitronensäure und von Butylalkohol (Mikroorganismenart). Viele Gärungen, die nach bekannten
Methoden nur in absoluter Reinzucht befriedigend durchgeführt werden können, sind nach dem neuen
Verfahren auch ohne Anwendung so strenger Bedingungen möglich.
Besonders gross sind die Vorteile des neuen Verfahrens auch bei kontinuierlichen Gärverfahren und kontinuierlichen Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen, bei welchen die Apparate lange Zeit ohne Unterbrechung und damit auch lange Zeit ohne Reinigung der Apparatur betrieben werden sollen.