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Verfahren zur Herstellung von Zitronensäure mit kugelförmigen Mycelaggregaten (sogenannten "Pellets") und zur Gewinnung derselben
Es wurde bereits vorgeschlagen, Zitronensäure durch Submersgärung verdünnter Melassen herzustellen, wobei Schimmelpilze der Gattungen Aspergillus und Penicillium verwendet wurden. Bei diesem Verfahren wurde das Substrat mit Mycel beimpft, d. h. mit Sporen, die in ähnlicher Lösung ähnlicher Art, wie die für die Zitronensäuregärung verwendete, gesondert entwickelt wurden. Gewöhnlich wurden die Sporen unter Belüften und Schütteln der Lösung entwickelt (vgl.
Martin und Waters"Industrial and Engineering Chemistry" 1944 [1952], Nr. 9, S. 2229-2233), wobei sich die Mycelfäden oder Hyphen verfilzten und kleine, mehr oder weniger kugelförmige Aggregate, sogenannte "Pellets", bildeten. Durch Impfung mit solchen Pellets konnten die Gärungen gleichmässiger und mit gleichmässigeren Ausbeuten durchgeführt werden als früher.
Es wurde auch vorgeschlagen, die Impfung mit nichtagglomeriertem Mycel von Aspergillus niger durchzuführen ; nach einer bestimmten Gärungszeit wird der pH-Wert der Lösung durch Beigabe einer Säure oder eines sauren Salzes erniedrigt, während gleichzeitig die Lösung bewegt und belüftet wird. In Lösungen von Rübenzuckermelasse sollte der pH-Wert auf nicht weniger als 4,6 erniedrigt werden, während die entsprechenden Grenzwerte für Rohrzuckermelasse und Invertmelasse 3,8 bzw. 3, 3 sind. Nach dieser Senkung des pH-Wertes wird die Gärung unter fortgesetztem Bewegen und Belüften beendet, und das Mycel entwickelt sich dann zu kugelförmigen Einheiten oder Aggregaten, sogenannten Pellets. Diese Methode
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die Menge des verwendeten Zuckers.
Nach dem bekannten Verfahren wurde neben Zitronensäure eine gewisse Menge Oxalsäure erhalten ; die rohe Säure musste daher einer besonderen Reinigung unterworfen werden.
Gemäss der Erfindung wird der verwendete Zucker viel besser ausgenutzt (höhere Ausbeute). Oxalsäure wird nicht oder höchstens in Spuren gebildet ; gleichzeitig wird die Gärungsdauer gegenüber der bekannten Arbeitsweise beträchtlich verkürzt. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Zitronensäure durch Submersvergärung von Rübenzuckermelasse mit durch verzögertes Wachstum von Sporen unter Bewegung gebildeten kugelförmigen Mycelaggregaten (sogenannten"Pellets") von Aspergillus niger oder verwandten Stämmen von Schimmelpilzen, wobei die Gärung durch Zugabe der getrennt berge-
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kennzeichnet, dass Pellets verwendet werden, deren Gewinnung in einem an sich bekannten Gefäss mit rotierenden Rührarmen und dazwischenliegenden ortsfesten Bremsmittel erfolgt,
wobei während der Submersvergärung des Kultursubstrates die Zahl der Umdrehungen des Rührwerkes so eingestellt wird, dass das Produkt von Umfangsgeschwindigkeit des Rührwerkes und der Erstreckung jedes Armes in der Achsrichtung des Rührers 100-170 cm2 pro Sekunde, vorzugsweise 140 cm2 pro Sekunde beträgt, und dass nach eingetretener Akklimatisierung der Mycelaggregate und einer beginnenden pH-Senkung infolge Zitronensäurebildung Salzsäure zugefügt wird, bevor der pH-Wert der Maische auf 4,5 gesunken ist, und dass die Gärung nach dem Säurezusatz bei einem PH-Wert unter 3,5, vorzugsweise unter 3,0, fortgesetzt wird.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung wird die Bildung der Pellets in besonderer Weise unter mechanischem Rühren und Einblasen von Luft durchgeführt. Die so gewonnenen, hoch aktiven Mycelag-
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gregate akklimatisieren sich leicht in der Melassemaische und bilden reine Zitronensäure. Bei fabriksmä- ssiger Herstellung erweist sich die Art und Weise des Rührens und der Belüftung von grosser Bedeutung für die Güte der Pellets : ein zu intensives Rühren oder eine zu starke Belüftung erschwert oder verhindert die Pellets-Bildung oder zerschlägt sogar bereits gebildete Pellets.
Die Bildung der Mycelaggregate sowie die Gärung und Umwandlung erfolgt am besten unter Verwendung von Rübenzuckermelasse als Substrat. Doch kann das Verfahren auch bei Verwendung anderer Arten von Melasse, wie z. B. Rohrzuckermelasse, angewendet werden, obwohl die Ausbeute durch Vorhandensein gewisser gärungsverzögernder Stoffe oder durch Mangel an besonderen Nährstoffen geringer sein wird. Die Ausbeuten können durch Zusatz von Nährstoffen, wie aus natürlichen Produkten gewonnenen Aminosäuren erheblich verbessert werden. Bei Verwendung von Rübenmelasse ist es auch möglich, andere Melassen oder andere nichtraffiriierte Rückstandsprodukte der Zuckerfabrikation beizugeben.
Die Erfindungbeziehtsich aber in erster Linie auf die Verwendung von Rübenmelasse, da sich dieses Material für das Verfahren als besonders geeignet erwies.
Die Aggregation des Mycels erfolgt vorzugsweise in einem Rübenmelasse enthaltenden Kultursubstrat von derselben Beschaffenheit, wie die für die Gärung der Zitronensäure verwendete Melassemaische, nach Möglichkeit mit einer niedrigeren Zuckerkonzentration als die Melassemaische. Zum Beispiel kann der Zuckergehalt 5-15% betragen. Hervorragende Ergebnisse wurden erziele, wenn der Zuckergehalt des zur
Bereitung der Pellets verwendeten Kultursubstrates 6-7, 51o und der Zuckergehalt der Maische für die
Hauptgärung 15% beträgt. Wie der Melassemaische wird auch dem Kultursubstrat Kaliumferrocyanid bei- gefügt, das den Zweck hat, durch Komplexbildungen jedliche schädlichen Einflüsse von Metallionen, wie
Eisen (ionen), zu unterdrücken und ein zu rasches Wachstum des Mycels zu verhindern.
Daneben können
Nährsalze, wie stickstoff-und phosphorhältige Salze, zugesetzt werden. Die Lösung wird in üblicher
Weise, z. B. durch Erhitzen, sterilisiert, wobei zweckmässig das Ferrocyanid vor und das Phosphat nach dem Erhitzen zugesetzt werden.
Bei der Bereitung des Substrates für die Pelletkultur ist es zweckmässig, gewöhnliches den normalen
Erfordernissen entsprechendes Grundwasser oder Leitungswasser zu verwenden. Durch seinen Gehalt an Sal- zen u. dgl. ist solches Wasser im allgemeinen geeigneter als destilliertes Wasser. Doch soll der pH-Wert des Kultursubstrates auf 5, 5 - 5, 9 eingestellt werden, welcher Bereich für die Aggregation am zweckmä- ssigsten ist.
Die Aggregation wird vorzugsweise durch mechanisches Rühren in Kombination mit einer Zuführung von feinverteilter Luft durchgeführt. Um mechanisch stabile und hoch aktive Pellets zu erhalten, ist eine wirksame Belüftung notwendig. Die Luft soll fein verteilt werden, um ein gleichmässiges Wachstum in allen Teilen des Gefässes zu erzielen. Es kann eine Luftmenge von 3 bis 40 l pro Liter Kultursubstrat und Stunde angewendet werden ; in den meisten Fällen ist eine Menge von 5 bis 10 l Luft pro Liter Kultursubstrat und Stunde zweckmässig. Eine Reduktion der Luftmenge auf 21 oder weniger pro Stunde und Liter des Kultursubstrates ergibt Pellets mit lockerer Struktur und geringerer Qualität..
Es ist wichtig, in dem Aggregationsgefäss eine gewisse turbulente Strömung aufrechtzuerhalten, wobei die Mycelfäden (Hyphen) zu kugeligen Aggregaten geballt werden, die wie kleine Garnknäuel aussehen. Bei geringer Geschwindigkeit des Rührwerkes enthält jedes Aggregat eine relativ grössere Zahl von entwickelten Sporen als bei höherer Geschwindigkeit. Das Rühren darf nicht zu stark sein, da eine zu starke Turbulenz nicht die gewünschte Aggregation, sondern nur eine breiartige Masse ergibt. Die Zahl der zugesetzten Sporen soll vorzugsweise in der Grössenordnung 1010 pro Liter sein.
Unter den angegebenen Bedingungen führt die Kultivierung zu kugeligen Aggregatenmit einem Durchmesser von im allgemeinen 0,2-0, 4 mm, wobei diese Aggregate aus Hyphen oder Mycelfäden von durchschnittlich 500 - 600 Sporen zusammengesetzt sind.
Das Rühren. im Aggregationsgefäss wird vorzugsweise mittels Rührarmen, die auf einer oder mehreren Wellen montiert sind, durchgeführt. Die Arme können zentrisch oder exzentrisch angeordnet sein ; die Wellen können vertikal, horizontal oder schräg angeordnet sein. Vorzugsweise sind zwischen den Rührarmen ortsfeste Einrichtungen oder Bremsarme vorgesehen, die dazu dienen, um eine zur Verflechtung der Hyphen günstige Turbulenz hervorzurufen.
Es wurde als wesentlich gefunden, die Umfangsgeschwindigkeit des Rührwerkes in cm pro Sekunde und die Breite der Rührarme in cm'so einzustellen, dass ihr Produkt zwischen 110 und 170 cm2 pro Sekunde, vorzugsweise bei etwa 140 cd pro Sekunde, liegt. Wenn die Rührarme in der Rotationsebene geneigt sind, wird ihre Breite nach der Projektion in der Ebene durch die Rührwelle und ihren jeweiligen Arm berechnet. Diese Beziehung lässt sich auf die üblichen Rührwerke und auf die üblichen Abstände zwischen den Bremsarmen bzw. andern Bremseinrichtungen und den rotierenden Rührarmen anwenden, d. h. bis zu
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Abständen, die das 2-bis 3fache der Breite des rotierenden Armes betragen.
Vorzugsweise soll die Aggregation nicht in zu grossen Gefässen oder in Gefässen mit zu grossem Durchmesser durchgeführt werden. Die bei grossen Gefässen notwendigen langen Rührarme müssen mit so begrenzter Umfangsgeschwindigkeit laufen gelassen werden, dass ihre äusseren Enden kein Zerschlagen der Pellets verursachen ; dann ist aber die Turbulenz in der Nähe der Rührwelle nicht mehr ausreichend. Zylindrische Gefässe mit einer vertikalen Rührwelle und Rührarmen mit einer Länge von nicht über 1 m werden bevorzugt.
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Gefäss wurden etwa 1000 l verdünnte und sterilisierte Rübenzuckermelasse eingebracht.
Diese Maische war von gleicher Art wie die zur Erzeugung der Pellets verwendete, d. h. es wurden Ferrocyanid und Phosphat zugesetzt, aber der Zuckergehalt betrug etwa 151a und der pH-Wert 6,8. Die Maische wurde bei einer Temperatur von etwa 300C gehalten. Feinverteilte Luft wurde in einer Menge von etwa 3 l pro Liter
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29, 8 C fortgesetzt. Während dieser Zeit bildete sich etwas Zitronensäure, wodurch der pH-Wert auf 4,7 erniedrigt wurde. Statt Luft wurden nun 5 I Sauerstoff pro Liter Melassemaische und Stunde zugeführt und Salzsäure wurde zugesetzt, bis der pH-Wert auf 3,0 gesunken war. Die Melassemaische wurde gekühlt, um die angegebenen Temperaturwerte beizubehalten, und die Gärung wurde in 96 h vollendet.
Der Sauerstoff wurde am Kopf des Gärungsgefässes abgezogen und nach Waschen mit Alkali am Boden des Gefässes wieder eingeleitet. Frischer Sauerstoff wurde in einer dem Verbrauch entsprechenden Menge zugesetzt.
Die ausgegorene Melassemaische enthielt etwa 15 Gen.-% Zitronensäure. Sie war klar und konnte durch Filtrieren leicht von den Pellets getrennt werden. Praktisch der gesamte Zucker wurde verbraucht und die Ausbeute an Zitronensäure war hoch, nämlich 90 - 100 g Zitronensäure pro 100 g Zucker. Die Lösung war frei von Oxalsäure ; die Zitronensäure wurde in bekannter Weise aus der Lösung gewonnen.
Die Zahl der Umdrehungen des Rührwerkes, die Menge der zugeführten Luft und die Dauer der Behandlung bei der Bereitung der Pellets kann innerhalb gewisser Grenzen variiert werden. Wenn die Luftzufuhr auf 2 l pro Liter Kultursubstrat und Stunde reduziert wird, bekommen die Pellets eine lockerere
Struktur, sind weniger aktiv und weniger fähig, sich an ein saures Medium anzupassen. Eine Erhöhung der
Umdrehungsgeschwindigkeit auf 140 Umdr/min bei einer Belüftung nur durch Diffusion von der Oberflä- che der Flüssigkeit her ergab ebenfalls Pellets von nur geringer Qualität., Eine weitere Erhöhung der Um- drehungsgeschwindigkeit führte zu einer verminderten Pellet-Bildung und zu einem erhöhten Verlust von bereits gebildeten Pellets durch Zerschlagen.
Eine Erhöhung der Luftmenge auf 7 l pro Liter Kultursubstrat und Stunde bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 70 Umdr/min des Rührwerkes ergab sehr gleichmä- ssige und stabile Pellets in einer Zeit von nicht mehr als 9 h. Diese Pellets zeigten eine hohe Aktivität, sowie Anpassungsfähigkeit an ein saures Medium.
Beispiel 2 : Die Pellets wurden in einem zylindrischen Gefäss von etwa 220 l Rauminhalt (Durch- messer 520 mm, Höhe 1040 mm) hergestellt. Ein im Innern des Gefässes zentral angeordnetes Rührwerk war mit sechs geraden, im gleichen Abstand voneinander entfernten Rührarmen versehen (Länge 450 mm, Breite 40 mm). Bremsarme mit einer Breite von 40 mm waren so montiert, dass sie zwischen den Rührarmen diametral in das Gefäss rechten. Feinverteilte Luft konnte durch am Boden des Gefässes angebrachte keramische Filter eingeleitet werden.
Es wurde festgestellt, dass Pellets mit sehr guter Struktur, hoher Aktivität und sehr guter Anpassungsfähigkeit an ein saures Medium bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit des Rührwerkes von 15 Umdr/min und einer Luftzufuhr von etwa 5 l pro Liter Kultursubstrat und Stunde erzielt werden konnten, wobei die andern Bedingungen ähnlich jenen des vorhergehenden Beispieles waren. Eine Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit führte zu Pellets von kleinerem Durchmesser ; eine geringere Belüftung ergab eine geringere Aktivität der Pellets.
Die Zahl der erhaltenen Peletts war für ein Gärungsgefäss mit einem Flüssigkeitsvolumen von 15 bis 25 la la (Durchmesser 2,25 m, Höhe 5 m) ausreichend. In diesem Gefäss wurde die Hauptgärung durchgeführt, indem Luft oder Sauerstoff durch am Boden des Gefässes angeordnete ortsfeste poröse Verteileinrichtungen eingeleitet wurde. Die Verteiler waren zentral am Boden des Gefässes angeordnet, so dass sich im mittleren Teil des Gefässes ein aufsteigender Strom aus Luft und Flüssigkeit ausbildete. Um die Zirkulation von Flüssigkeit und Pellets zu verbessern, kann das Gefäss mit Leitflächen versehen werden, z. B. in der Form eines Blechzylinders (Durchmesser 1, 85 mm, Höhe 3,0 m), der an beiden Enden offen und zentral in etwa 500 mm Entfernung vom Boden angeordnet ist.
Nach Vollendung der Gärung in der im vorhergehenden Beispiel beschriebenen Weise war die Melassemaische nach 85 - 90 h fast frei von Zucker. Die Ausbeute betrug etwa 15, 3% Zitronensäure, berechnet auf das Gewicht der Melassemaische.
Beispiel 3 : Statt feststehende, poröse Verteileinrichtungen für die Belüftung, wie in den Beispielen 1 und 2 anzuordnen, kann man das Gas durch Perforierungen in einem oder mehreren der Rührarme zuführen, wobei die Perforierungen mit Kanälen durch die Arme und durch die Rührwelle verbunden sind. Die Zahl der Umdrehungen wird so eingestellt, dass die Pellets nicht zersprengt werden. Auch in diesem Fall kann es von Vorteil sein, Leitflächen. z. B. in Form eines Zylinders, vorzusehen, um im Gefäss eine be-
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stimmte Zirkulation zu erzielen.
Beispiel 4 : Im allgemeinen ist es zweckmässig, zur Herstellung der Pellets ein Gefäss von solchem Rauminhalt zu verwenden, dass man ein genügend grosses Quantum zur Beimpfung von ein oder mehreren Gärungsgefässen erhält. Dies hat den Vorteil, dass in jedem einzelnen Gärungsgefäss die Pellets von einheitlicher Art und/oder im gleichen Entwicklungsstadium sind. Bei sehr grossen Gärungskesseln, z. B. mit einem Inhalt von 200 m ? Melassenmaische, wird daher vorzugsweise ein Gefäss von etwa 2 mS Fassungsvermögen für die Pelettbereitung verwendet. Ein solches Gefäss kann einen Durchmesser von 1000 mm und eine Höhe von 2500 mm haben ; das Rührwerk kann aus zehn im Abstand angeordneten Rührarmen (Länge 900 mm, Breite 45 mm) und neun dazwischenliegenden Bremsarmen (Breite 45 mm) bestehen.
Die Geschwindigkeit des Rührwerkes kann 7,5 Umdr/min betragen.
Ein Gärungsgefäss der oben erwähnten Grösse (etwa 200 m3) kann als zylindrischer Turm von 3 m Durchmesser und 28 m Höhe ausgebildet sein. Statt Sauerstoff während der Hauptgärungsperiode einzublasen, führt man feinverteilte Luft mit einem Zusatz von etwa 100/0 Sauerstoff ein, welche am oberen Ende des Turmes entweicht. Wenn der Turm unter einem Druck über Atmosphärendruck gestellt wird, kann die Gärungszeit innerhalb gewisser Grenzen herabgesetzt werden. Bei einem genügend grossen überatmosphärischen Druck kann die Beigabe von Sauerstoff unterbleiben. Auch in diesem Fall kann es ratsam sein, Leitflächen vorzusehen, um eine definierte Zirkulationsbewegung zu erzielen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Zitronensäure durch Submersvergärung von Rübenzuckermelasse mit durch verzögertes Wachstum von Sporen unter Bewegung gebildeten kugelförmigen Mycelaggregaten (so- genannten"Pellets") von Aspergillus niger oder verwandten Stämmen von Schimmelpilzen, wobei die
Gärung durch Zugabe der getrennt hergestellten Aggregate ("Pellets") zu einer nahezu neutralen Melasse- maische begonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass Pellets verwendet werden, deren Gewinnung in einem an sich bekannten Gefäss mit rotierenden Rührarmen und dazwischenliegenden ortsfesten Bremsmitteln erfolgt, wobei während der Submersvergärung des Kultursubstrates die Zahl der Umdrehungen des Rührwerkes so eingestellt wird,
dass das Produkt von Umfangsgeschwindigkeit des Rührwerkes und der Erstreckung jedes Armes in der Achsrichtung des Rührers 100 - 170 cerf pro Sekunde, vorzugsweise 140 cM pro Sekunde beträgt, und dass nach eingetretener Akklimatisierung der Mycelaggregate und einer beginnenden pH-Senkung infolge Zitronensäurebildung Salzsäure zugefügt wird, bevor der pH-Wert der Maische auf 4,5 gesunken ist, und dass die Gärung nach dem Säurezusatz bei einem pH-Wert unter 3,5, vorzugweise unter 3,0, fortgesetzt wird.