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Verfahren zur Herstellung von Nähr-, besonders Melasselösungen zur Gewinnung von
Zitronensäure durch Gärung
Es ist bekannt, dass bestimmte Arten der
Schimmelpilze aus der Gattung Aspergillus,
Citromyces, Mucor und Penicillium imstande sind, Zucker in einer Lösung in Zitronensäure zu überführen. Ferner ist bekannt, dass es möglich ist, als Gärlösung verdünnte Zucker- melassen zu verwenden (tschechoslowakisches
Patent Nr. 24882) deren Nährstoffgehalt gege- benenfalls durch einen Zusatz anorganischer
Nährstoffe, insbesondere Phosphate, die in der
Melasse meist in ungenügender Menge vorhanden sind, ergänzt wird. Die Gärung wird so durch- geführt, dass eine sterile Nährlösung der Melasse mit den Sporen entsprechend gewählter und gezüchteter Schimmelpilze der oben angeführten
Arten beimpft wird.
Diese Sporen keimen auf der Oberfläche der Nährlösung bei einer geeigneten
Temperatur, z. B. 300 C, rasch aus und bilden dort ein zusammenhängendes Pilzmycel, in welchem die biochemische Umsetzung des
Zuckers in Zitronensäure stattfindet. Bei diesem biochemischen Prozess wird nur ein Teil des
Zuckers in Zitronensäure überführt, während ein Teil desselben zum Aufbau der organischen
Substanz des Pilzmycels verbraucht und ein
Teil des Zuckers bis zur Kohlensäure verbrannt wird, wodurch dem Prozess die benötigte Energie geliefert wird. Für den wirtschaftlichen Erfolg des ganzen Prozesses ist es notwendig, dass möglichst rasch möglichst viel Zucker zu Zitronensäure umgesetzt wird.
Es ist also erforderlich, dass die Menge des Zuckers, welche in die Mycelsubstanz umgesetzt und diejenige, welche zu Kohlensäure veratmet wird, möglichst gering ist.
Aus diesem Grunde wurde zwecks Steigerung der Ausbeute an Zitronensäure empfohlen, die Atmung des Pilzmycels durch einen Zusatz von Giften zu bremsen, oder das übermässige Wachsen desselben durch eine Zerstörung der Wuchsstoffe einzuschränken. Da aber der Ort, wo der Prozess der Bildung der Zitronensäure aus dem Zucker vor sich geht, das Pilzmycel an der Oberfläche der Gärlösung ist, ist es notwendig, dass dieses Pilzmycel rasch, in ausreichender Menge und mit einer richtigen und intensiven Funktionsfähigkeit gebildet wird. Gesunde Pilzmycelien von hoher Wirksamkeit sind nicht allzu dick, zusammenhängend, russfrei und auf ihrer Oberfläche trocken und fest, gewellt, mit einem stark zergliederten Tiefenwachstum, mit einer sonst glatten unteren Oberfläche, durch die sie mit der Nährlösung in Berührung stehen.
Nach Beimpfung von Melassen oder auch von anderen Nährlösungen mit Sporen der angeführten Schimmelpilze kann häufig beobachtet werden, dass die Sporen zwar aufkeimen, dass sich aber eine sehr feine Pilzhaut bildet, welche durchnässt wird und unter die Oberfläche sinkt, oder es entsteht überhaupt keine zusammenhängende Pilzhaut, sondern nur vereinzelte Schimmelinselchen. Wenn ein derartig"krankes" Pilzmycel durchnässt oder zerrissen wird, oder unter die Oberfläche sinkt, so ist eine neue Beimpfung notwendig, wonach meistens ein schon zusammenhängendes neues Pilzmycel wächst.
Es tritt jedoch eine Verlängerung der Gärzeit ein, einerseits durch die Verlängerung der zum Ausbilden des Mycels notwendigen Zeit und anderseits dadurch, dass das untergegangene durchnässte Mycel die freie Diffusion in das neue gesunde Mycel behindert. Die Durchnässung des Pilzmycels erhöht auch die Infektionsgefahr, da die nasse Oberfläche der Pilzhaut viel leichter durch Bakterien und andere Mikroorganismen infizierbar ist. Ferner wurde gefunden, dass Pilzhäute, die zum Durchnässen neigen oder nur langsam eine zusammenhängende Haut bilden, an der inneren (unteren) Oberfläche nicht glatt, sondern rauh sind und eine schlechte Durch- lässigkeit für die Nährlösung in die Zellen aufweisen.
Es wurde gefunden, dass dieser krankhafte" Verlauf der Bildung des Pilzmycels auf Melassenlösung durch oberflächenaktive Stoffe verursacht wird, welche sich an der Oberfläche der Nährlösung ansammeln, ohne sich dort mitunter auch als eine neue Oberflächenphase abzuscheiden. Diese Stoffe vermindern die Oberflächenspannung der Lösung und verleihen derselben eine Neigung zur Schaumbildung. Es
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wurde gefunden, dass diese ungünstige Erscheinung dadurch vermieden werden kann, dass man diese die Oberflächenspannung der Lösung beeinflussenden, d. h. stark oberflächenaktiven Stoffe beseitigt. Die zur Beseitigung dieser Stoffe und zur Verhinderung ihrer oben angeführten ungünstigen Wirkung führenden Eingriffe können verschieden sein.
Manchmal genügt es bereits, dass man von der Oberfläche der vorbereiteten Nährlösung nach kurzem Abstehen vor der Beimpfung den entstandenen Schaum, in welchem die die Oberflächenspannung vermindernden Stoffe angehäuft werden, einfach abstreicht oder abzieht. Weit wirksamer sind aber Eingriffe, welche zu einer regelbaren Beseitigung der oberflächenaktiven Stoffe führen. Hieher gehört in erster Linie das Ausschäumen der Nährlösung vor der Beimpfung dadurch, dass in die Nährlösung Luft oder andere Gase in feinen Blasen eingeführt werden, wobei die die Oberflächenspannung herabsetzenden Stoffe zum grössten Teil in den entstandenen Schaum übergehen und durch dessen Abziehen beseitigt werden.
Die Abziehung des Schaumes von der Oberfläche der Nährlösung und damit die Be- seitigung der schädlichen oberflächenaktiven
Stoffe kann durch die Menge und den Druck der eingeblasenen Luft bzw. durch die Aus- schäumungsdauer geregelt werden. Durch eine Änderung dieser Faktoren können optimale
Wachstum-und Gärungsbedingungen erzielt werden, welche vor der gewerbsmässigen Durch- führung mit Hilfe von Reihenversuchen im
Laboratoriumsmassstabe ermittelt werden können.
Ein anderer, zur völligen oder teilweisen
Entfernung der oberflächenaktiven Stoffe führender Eingriff besteht nach der Erfindung in der Anwendung der Adsorption bei der
Zubereitung der Nährlösung. Die die Ober- flächenspannung herabsetzenden Stoffe werden durch Eintragen von geeigneten Adsorptionsstoffen aus der Nährlösung beseitigt, worauf diese Adsorptionsstoffe samt den adsorbierten
Stoffen von der Nährlösung vor ihrer Anwendung abgetrennt werden. Man kann dabei entweder so arbeiten, dass in die Gärlösung fertige, adsorbierende, unlösliche Stoffe eingerührt werden, welche nach einer bestimmten Einwirkungsdauer durch Dekantierung oder Filtration aus der Lösung entfernt werden. Als solche Stoffe kann man mit Vorteil Holzkohle oder aktive Kohle, Erden, Silicagel oder Tonerdegelanwenden.
Ein anderer geeigneter Eingriff besteht darin, dass man in der Nährlösung eine Fällung von Stoffen durchführt, welche eine bedeutende adsorbierende Wirkung aufweisen. Hieher gehört z. B. die Bildung von Niederschlägen von Bariumsulfat, unlöslichen Sulfiden, Hydroxyden oder Karbonaten oder von anderen unlöslichen Verbindungen von Schwermetallen oder von Erdalkalien, wobei zwei verschiedene Fällmittel der Nährlösung zugesetzt werden, welche Stoffe (z. B. Bariumchlorid und Natriumsulfat, Zinksulfat und Natriumsulfid) durch gegen- seitige Wirkung einen feinen unlöslichen Nieder- schlag bilden, der die die Oberflächenspannung herabsetzenden Stoffe auf seiner Oberfläche zu adsorbieren fähig ist.
Durch eine Abänderung der Menge des zugesetzten adsorbierenden
Stoffes oder der Art und der Menge der Fäll- mittel, der Weise und der Geschwindigkeit des
Niederschlagens (Fällens) wird versuchsweise die günstigste Art und der Umfang der Be- seitigung der oberflächenaktiven Stoffe ermittelt und so die besten Arbeitsbedingungen zur
Zubereitung von Nährlösungen festgelegt werden.
Es ist selbstverständlich, dass die angeführten Eingriffe zur Zubereitung der Nährlösung auch untereinander zwecks Erzielung der vorteilhaftesten Wirkung kombiniert werden können.
Im nachfolgenden werden einige Ausführungsbeispiele angeführt, welche ein Erkennen des Arbeitsverfahrens nach der Erfindung ermöglichen und den Einfluss der beschriebenen Eingriffe aufklären.
Zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung im laboratoriumsmässigen Massstabe werden emaillierte Schüsseln von 20 cm Durchmesser (Oberfläche 315 cm2) und einer Höhe von 10 cm benützt. Diese Schüsseln werden mit 2 Z einer Nährlösung gefüllt, die durch Verdünnung von 600 g Zuckermelasse bereitet wurde.
Die Nährlösung wird mit etwa 20 cm3 2 n Schwefelsäure angesäuert, und es werden etwa 4 cm3 einer 10% igen Phosphorsäurelösung zugesetzt. Die Lösung wird durch Kochen sterilisiert und in einem sterilen Raum in die Versuchsschalen eingefüllt. Die auf etwa 35 0 C abgekühlte Lösung wird in bekannter Weise mit besonders gezüchteten Sporen eines ge- eigneten Schimmelpilzes beimpft. Nach einer
12tägigen Gärung bei einer Temperatur von etwa 300 C enthalten gute Gärlösungen nur etwa
2-5% unvergorenen Zucker von der ursprünglichen Menge. Sodann wird die Gärung abgestellt, das Pilzmycel abgenommen, abgepresst und ausgelaugt. Die ausgelaugte Flüssigkeit wird der vergorenen Lösung zugesetzt und durch Zugabe von Kalk während des Siedens Kaliumzitrat gefällt.
Die darin analytisch ermittelte Zitronensäure, umgerechnet auf 100 Teile des vorgelegten Zuckers, gibt die Gärausbeute an.
In tiefer angeführten Beispielen wurden unter gleichen Bedingungen je fünf gleichartige Versuche verarbeitet, um einen guten Durchschnitt zu erzielen. In jeder Schale wurden 600 g Melasse, d. s. 300 Zucker angesetzt.
Vergleichungsbeispiel : In der ersten Versuchsgruppe wurde mit der oben angeführten Melassennährlösung ohne jeden weiteren Eingriff der zur Beseitigung der oberflächenaktiven Stoffe führen könnte, gearbeitet. Nach der Beimpfung entstand nach 24 Stunden ein stark nässendes Pilzmycel, welches in drei von den fünf Schalen untertauchte, und diese Schalen neu geimpft werden mussten. In den zwei anderen Schalen erholte sich das Mycel nach 48 Stunden. In zwei Schalen zeigte sich eine ziemlich starke Infektion ;
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diese Schalen hatten weiche Pilzhäute.
Nach 12tägiger Gärung wurden aus den fünf Schalen, im ganzen aus 1500 g Zucker, 993 g trockenes Kalkzitrat mit 705 g Zitronensäure gewonnen, d. h. die Ausbeute betrug 47 Zitronensäure auf 100 g Zucker.
Beispiel l : Es wurde die gleiche Melasse wie im Vergleichungsbeispiel verwendet und die gleiche Gärlösung zubereitet. Nach der Sterilisation wurde aber die gesamte Menge von 10-5 51 Gärlösung durch Einblasen von Luft durch eine poröse keramische Platte unter einem Druck
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Die restlichen 10 Liter wurden auf fünf Gär- gefässe verteilt und vergoren. Das Anwachsen des Pilzes und die Gärung waren einwandfrei.
Es wurde eine feste gesunde Haut infektionsfrei erzielt. Nach 12tägiger Gärzeit wurden aus l500 g Zucker 1345 g getrocknetes Kalkzitrat mit 976 Zitronensäure erhalten, d. h. die
Gärung verlief mit einer Ausbeute von 65 g
Zitronensäure auf 100 g vorgelegten Zuckers.
Beispiel 2 : Es wurde mit der gleichen Melasse wie im Vergleichungsbeispiel und mit gleichartig gewonnener Gärlösung gearbeitet. Ein Unterschied bestand darin, dass für die ganze Charge von 10 Litern bei der Sterilisation 25g aktiver Kohle zugesetzt wurden. Nach einem halbstündigen Rühren der siedend heissen Lösung wurde die Lösung abfiltriert und nach Abkühlung wie in den vorherigen Beispielen beimpft. Es bildet sich eine gesunde Haut und die ganze Gärung verlief infektionsfrei. Nach 12tägiger Gärung wurden aus 1500g Zucker im ganzen 1280 g getrocknetes Kalkzitrat mit 952 g Zitronensäure gewonnen, d. h. es wurde eine Ausbeute von 63-5 Zitronensäure auf 100 vorgelegten Zuckers erzielt.
Beispiel 3 : Aus der gleichen Melasse wie in den vorherigen Beispielen wurde eine gleichzusammengesetzte Nährlösung gewonnen. Bei ihrer Sterilisation wurde durch einen Zusatz von 5 g Zinksulfat und einen geringen Überschuss einer Schwefelnatriumlösung ein stark adsorbierendes Zinksulfid gefällt, welches abfiltriert wurde. Nach der Beimpfung bildete sich ein gesundes festes Pilzmycel. Die Gärung verlief sehr gleichmässig. Nach 12 Tagen wurden aus 1500g Zucker 1408g Kalkzitrat mit 1038g
Zitronensäure gewonnen, d. h. die Ausbeute war 69-2 Teile Zitronensäure auf 100 Teile des in der Melasse vorgelegten Zuckers.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die Anwendung eines bestimmten
Vorgehens oder von bestimmten Stoffen zur
Beseitigung der oberflächenaktiven Stoffe aus der
Nährlösung, welche ihre Oberflächenspannung ändern, sondern schliesst in sich ein beliebiges
Vorgehen und die Anwendung von beliebigen
Stoffen ein, durch welche eine wenigstens teil- weise Ausscheidung von oberflächlich kräftiger aktiven Stoffen aus Nährlösungen erzielt wird.
Unter der Bezeichnung stark oberflächenaktive
Stoffe" in der Beschreibung sind Stoffe zu ver- stehen, welche auch in geringen Mengen die
Oberflächenspannung der Nährlösung wesentlich herabsetzen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Nähr-, besonders Melassenlösungen zur Gewinnung von
Zitronensäure durch Gärung, dadurch gekenn- zeichnet, dass aus den Nährlösungen die die
Oberflächenspannung herabsetzenden Stoffe vor der Beimpfung teilweise oder vollständig beseitigt werden.