Verfahren zur Herstellung von Gluconsäure diüeh Vergärung von glucosehaltigen Kohlehydratgemisehen. Die technische Darstellung von Glacon- säure wurde bisher nur auf rein chemischem Wege durchgeführt, wobei die notwendige Verwendung von komplizierten Apparaten und die Verwendung von teuren-O$ydations- mitteln. die Erzeugung einerseits technisch komplizierten und anderseits verteuerten.
Bekanntlich vermögen Fadenpilze der Gattungen Aspergillus, Citromyces, Pen- zillium, Mucor, sowie Bakterien aus der Gruppe des Bact. xylinum, B. industrium, B. oxydans, B. gluconicum etc. Gluconsäure aus Glucose zu erzeugen.
Es wurden auch schon Versuche ge macht, mit Hilfe der genannten Pilze bezw. Bakterien aus reinen Zuckerlösungen oder Glucoselösungen Gluconsäure herzustellen. Diese Versuche waren alle Laboratoriums versuche, da man der Annahme war, dass von reinen Grundsubstanzen ausgegangen werden müsse. Versuche haben ergeben, dass nicht reine Glucose zur Herstellung von Gluconsäure verwendet zu werden braucht, sondern dass man von Glucose enthaltenden Kohle hydratgemischen, wie@Rübenschnitzeln, Me lasse, Rohzuckersäften etc. ausgehen kann.
Als besonders geeignet erwiesen sich aus Stärke oder stärkehaltigen Materialien, wie allen Getreidesorten, aber auch Rosskasta nien, Lupinen etc., hergestellte Gemische, da sie hohe Ausbeuten an Gluconsäure er geben. Stärke oder stärkehaltige Rohstoffe können zum Beispiel durch Hydrolysieren mittelst Säuren in glucosehaltige Kohlen hydratgemische übergeführt werden.
Bei dem bisherigen Gärungsverfahren wurde ferner die auf der Oberfläche sieh bil dende Pilzdecke nicht berührt, da die all gemeine Ansicht bestand, dass bei einem Zer reissen der Pilzdecke die biochemische Tätig keit des Pilzes gestört werde. Versuche haben jedoch gezeigt, dass bei vorsichtigem Aufheben der Pilzdecke die Tätigkeit des Pilzes nicht nur nicht gehin dert wird, sondern infolge der möglichen Entgasung des Gäransatzes dessen Lebens dauer noch verlängert wird.
Das Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstellung von Gluconsäure durch Vergärung von glucose- haltigen Kohlehydratgemischen mittelst oxy- dativer Gluconsäure bildender Gärungs erreger ist dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Gäransatz sich bildende Decke der oxydativen Gärungserreger von Zeit zu Zeit abgehoben wird, um ein Entweichen der sich bildenden Kohlensäure zu ermöglichen. Bei der Ausführung des Verfahrens können die Pilzdecken durch Vorrichtungen vorsichtig aufgehoben werden.
Hierbei kann durch Umrühren am Boden liegendes oder gerade zugesetztes Calciumkarbonat mit der gebil deten Glueonsäure zur Reaktion gebracht werden. Dem dabei entstehenden Kohlen dioxyd ist so Gelegenheit zum Entweichen geboten. Auf diese Weise gelingt es,. auch eine in relativ hoher Schicht befindliche Maische in kurzer Zeit in Gluconsäure zu verwandeln.
Geht man hierbei von einem künstlichen Substrat aus, so ist der Zusatz von Nährsalzen erforderlich, wobei neben der üblichen Anwendung von Kaliumphos- phat und Magnesiumsulfat insbesondere die Art der Stickstoffquelle von Einfluss auf die Entwicklung eines gut Gluconsäure bilden den Pilzmycels ist. Am besten bewähren sich dabei Ammonsulfat oder Aminosäuren oder peptonhaltige Substanzen, doch können auch alle sonstigen ungiftigen, stickstoffhaltigen Substanzen Verwendung finden.
Nach Be endigung des Prozesses kann die Flüssigkeit abgezogen und nach Zusatz einer neuen Maische der Prozess wiederholt werden, wo bei weitere reichliche Mengen von Glucon- säure entstehen. Zur Ermöglichung des leich teren Abhebens kann zum Beispiel die Decke durch einen Rost, ein Sieb usw. gestützt werden, oder es kann die Decke auf diesen etwas unterhalb der Oberfläche der Gär- flüssigkeit angebrachten Hilfsmitteln zur Entwicklung gebracht werden. Das Abheben der Decke allein oder mit Stützkonstruktion kann von Hand oder durch mechanische Zeitantriebe erfolgen.
Es kann auch die Ein richtung zum Heben der Gärdecken mit einer Einrichtung zum Rühren der Flüssigkeit zweckmässigerweise verbunden werden.
Bei Anwendung von Pilzen für die Glu- consäureherstellung ist zunächst die Aus wahl eines geeigneten Pilzstammes erforder lich. Diese erfolgt zweckmässig in systema tisch durchgeführten Kleinversuchen durch Vergleich des Gluconsäurebildungsvermögens der verschiedenen Pilzstämme. Die Durch führung der Gluconsäureherstellung im technischen Betrieb geschieht zum Beispiel in der Weise, dass zunächst durch Dampf oder direktes Erhitzen sterilisierte Flüssig keit nach ihrer Abkühlung mit Sporen des geeigneten Pilzstammes stark angeimpft wird, so dass die ganze Oberfläche mit Sporen besät ist.
Die Gluconsäurebildung kann nun entweder durch die an der Flüssigkeitsober fläche zur Entwicklung gelangende Pilz decke erfolgen oder durch ein Mycel, das im Innern der Flüssigkeit zur Entwicklung gelangt ist, indem man, wie bei andern mycologischen Prozessen, die ganze Flüssig keit durch Rühren oder Luftdurchleiten in Bewegung hält. Nachdem das Pilzmyeel ge nügend stark gewachsen ist, wird zweck mässigerweise Calciumkarbonat, sowie noch weitere Maische etc. entweder auf einmal oder in einigen Anteilen zugesetzt.
Mit dieser Flüssigkeit kann ein für die Gluconsäurebildung selbst unschädlicher Giftstoff zugesetzt werden, der Infektionen durch fremde Organismen verhindert, da, wie die Erfahrung lehrt, insbesondere Butter- säurebakterien den Prozess der Gluconsäure- bildung fast völlig hemmen können, da die Pilze gegenüber der Buttersäure sehr emp findlich sind.
Als derartige Giftstoffe kom men in Betracht zum Beispiel organische Quecksilberverbindungen, wie zum Beispiel Samenbeizmittel, Chlorphenolquecksilber oder Cy anmerkurikresolnatrium, aber auch anor- ganische Verbindungen, wie Sublimat, Silbernitrat etc., wobei jeweils die geeignete Konzentration zu ermitteln ist. Dieser Zu satz von Giftstoffen ist besonders deshalb von Wichtigkeit, weil der Prozess in an nähernd neutraler Lösung am besten vor sich geht und daher des Selbstschutzes der eigenen Säuerung entbehrt.
Der Zusatz von Calcium- karbonat ist deshalb zweckmässig, weil sonst die Gluconsäurebildung vielfach entweder zum Stillstand kommt oder dieselbe in Zi tronensäure oder Oxalsäure übergeführt wird. Bei bestimmten Pilzstämmen, ins besondere solchen, die schlechte Zitronen säurebildner sind, kann auch in Abwesenheit von Neutralisationsmitteln gearbeitet wer den, doch ist dann die Ausbeute an Glucon- säure in der Regel geringer.
Als Neutrali- sationsmittel sind ausser Calciumkarbonat auch Bariumkarbonat, Magnesiumkarbonat, Natriumkarbonat etc. geeignet, ausserdem können auch stärker alkalische Stoffe, wie Calciumoxyd, Bariumbydroxyd etc., verwen det werden, wenn für allmählichen Zusatz Sorge getragen wird.
Der Zusatz der wei teren Zuckerlösung bezw. Maische ist des halb zweckmässig, weil dadurch die Konzen tration der noch vorhandenen Stickstoff salze verringert wird und anderseits das Pilzmycel imstande ist, grössere Mengen von glucosehaltigem Material in Gluconsäure überzuführen. Der Gluconsäurebildungspra- zess selbst geht bekanntlich in Gegenwart von möglichst wenig Stickstoff am besten vor sich, und .der erwähnte Zusatz ermöglicht es, diese Bedingungen zu erzeugen.
Die günstigste Temperatur für die Arbeit der Pilze ist 30-35 . Der Prozess ist unter Einrechnung der Wachstumsperiode des Pilz- mycels in der Regel in 4-5 Tagen beendigt, ohne Einrechnung derselben in 2-3 Tagen. Die Ausbeute, beispielsweise über das Cal- ciumgluconat bestimmt, berechnet auf wirk lich vorhanden gewesene Glucose, ist bei Ver wendung eines geeigneten Pilzstammes fast quantitativ.
Wenn man die Erzeugung der Glucon- säure mit Hilfe von Bakterien aus den oben genannten Gruppen durchführen will, so ar beitet man zweckmässig im Prinzip analog. Als Nährboden verwendet man am besten Hefeextrakte etc., die in bekannter Weise hergestellt werden. Ein Zusatz von Neutrali- satonsmitteln ist nicht unbedingt erforder lich, kann jedoch vielfach von Vorteil sein. Als Mittel zur Verhinderung von Infektionen durch fremde Organismen verwendet man zweckmässig Zusätze von niedern Fettsäuren.
wie zum Beispiel Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, oder Buttersäure, wobei die je weils geeignetste Konzentration zu ermitteln ist. Der Prozess geht am besten bei 25-28 vor sich. Er währt meist etwa 1-2 Wochen.
Die Abscheidung der Gluconsäure erfolgt am besten in Form eines Salzes, zum Bei spiel des Calciumgluconates. Man verdampft zum Beispiel die calciumgluconathaltige Flüssigkeit im Vakuum bis zur geeigneten Konzentration. Die entleerte Masse erstarrt zu einem Kristallbrei, aus dem durch Ab schleudern oder Abpressen .das Calcium- gluconat gewonnen werden kann.
Nach dem Umkristallisieren aus heissem Wasser, unter eventueller Anwendung eines Entfärbungs- mittels, erhält man reines Produkt, aus dem vorteilhaft jede Spur von Giftstoff aus gewaschen wird und aus dem man in be kannter Weise die freie Gluconsäure oder deren Lakton herstellen kann.
Ausführungsbeispiele <I>des</I> Teerfahrens gemäss <I>der</I> Erfindung: I. 6 kg gelber Rohzucker werden in 40 Liter Wasser gelöst und mit den erforderlichen Nährsalzen (80 gr (NH4)S04, 40 gr KH,P04 und 20 gr MgS04) versetzt, durch Erhitzen sterilisiert und eingefüllt. Nach dem Ab kühlen wird mit einer Pilzkultur von Asper- gillus niger ;geimpft.
Nach etwa zweitägiger Entwicklung bei etwa 35 werden weitere 6 kg Rohzucker in etwa 15 % iger Lösung zu gesetzt und etwa 1,2 kg CaCO3 (Schlämm kreide) eingeführt.
Von nun an ist die Pilz decke mit Hilfe einer geeigneten, im Gär- gefäss befindlichen Vorrichtung, wie eines Rostes oder Netzes mindestens zweimal in 24 Stunden -aufzuheben und das CaC03 auf zurühren bezw. gegebenenfalls weitere Men gen desselben zuzusetzen, wobei die sich ent- wiekeln.de und für die Fortführung der Gä rung schädliche Kohlensäure entweichen kann. -Der gleiche Zusatz wie zuvor wurde noch zweimal zugegeben, bis insgesamt 24 kg Rohzucker mit gleicher Decke verarbeitet sind, was insgesamt 12 Tage dauert.
Die Ausbeute an reinem Ca-Gluconat beträgt 12 kg und entspricht daher, bezogen auf die vorhanden gewesene Glucosemenge, etwa 80 % d. Th. Das Glucanat ist praktisch frei von Zitronensäure und Oxalsäure.
II. 10 kg Stärke werden mittelst H2S04 ver zuckert, nach dem Neutralisieren mit BaCO., und Entfernen des Ba-Sulfates wird die Maische, die 13 % Glucose enthält, mit Nähr stoffen (1 Liter Leimabsud mit 15 gr Stick stoff;
40 gr KH2P04, 20 gr MgS04) versetzt, durch Erhitzen sterilisiert, in flache Schalen gefüllt, abgekühlt und mit einer Kultur von Penicillium beimpft. Nach 2-3tägiger Pilz entwicklung bei etwa 30 wird eine weitere 22aischenmenge aus 10 kg Stärke mit 15 bis 20 % Glucosegehalt und 0,1 gr Quecksilber chlorid zugesetzt.
Nach dem Einrühren einer ausreichenden Menge Bariumkarbonat wird der Gäransatz bei der gleichen Temperatur belassen, wobei innerhalb 24 Stunden 2 bis 3 Mal die Pilzdecke aufzuheben und das BaCOn aufzurühren ist. In gleicher Weise werden nochmals zwei Portionen Maische aus je 10 kg Stärke mit 15 bis 20% Glucosegehalt und 0,1 gr Quecksilberchlorid zugesetzt, aus reichende Mengen Bariumkarbonat eingerührt und auch im übrigen wie zuvor verfahren. Die Ausbeute an reinem Ba-Gluconat beträgt 32 kg bei Verarbeitung von insgesamt 40 kg Stärke.
III. Es wird ein Gäransatz wie in Beispiel II gemacht und die Pilzdecke ebenfalls ab gehoben, jedoch mit dem Unterschiede, dass den Maischen kein Quecksilberchlorid zu gesetzt wird. Es werden aus insgesamt 40 kg Stärke nur 18 kg Ca-Gluconat neben 2 kg C a-Citrat gewonnen.
IV. Es werden Kartoffeln in üblicher Weise aufgeschlossen und durch Malz verzuckert. Die aus 100 kg Kartoffeln und 4 kg Malz erhaltene Maische (entsprechend 19,2 kg Glu cose) wird zum Kochen erhitzt, wodurch sie an Extraktivstoffen aus den Trebern reicher wird. Sodann wird sie filtriert und zwecks Sterilisation nochmals zum Kochen erhitzt und in flache Schalen eingefüllt. Nach dem Abkühlen auf zirka 28 wird 50 gr Butter säure zugesetzt und mit einer Kultur von Bakterium Xylinum geimpft. Man legt auf die Flüssigkeit ein Netz aus Glaswolle, auf dem sich die gallertige Bakteriendecke fängt.
Man hebt mit geeigneter Vorrichtung diese eingewachsene Decke etwa zweimal in -24 Stunden zur Entfernung der Kohlensäure ab. Die Temperatur von 28 C wird weiterhin eingehalten und beim Abheben der Decke von Zeit zu Zeit CaC0zugesetzt. Falls bei die ser Manipulation die gebildete Bakterienhaut untersinkt, so entwickelt sich alsbald eine neue. Nach etwa 14tägiger Gärdauer ist der Prozess beendet, und das Ca-Gluconät kann in üblicher Weise gewonnen werden. Man er hält 18 kg Ca-Gluconat von weitgehendster Reinheit.
V. Es wurden drei Gäransätze mit einer Gär- rnaische, die nach Beispiel II angesetzt wur den, durchgeführt, und zwar bei verschie denen Temperaturen. Der eine Versuch lief bei 35 , zwei Versuche bei 20 C. Die Nähr salzmenge und die Versuchsbedingungen waren im übrigen die gleichen wie bei Bei spiel II. Bei dem Versuch bei 35 (Ver such A) und bei einem Versuch bei 20 (Versuch B) wurde am 3., 7. und 11. Tage neue Gärmaische aus 10' kg Stärke zu gesetzt, bei dem dritten Versuch bei 20 C (Versuch C) erfolgte dieser Zusatz am 3., 10. und<B>17.</B> Tage.
Schon die fortlaufende Kon trolle des Säuerungsprozesses ergab, dass die Säuerung bei 20 C viel langsamer vor sich ging, als die Säuerung bei 35<B>'C.</B> Die Aus beuten nach der Abstellung der Versuche waren die nachstehenden:
EMI0005.0002
A <SEP> im <SEP> Versuch <SEP> bei <SEP> 35 <SEP> <SEP> C <SEP> nach <SEP> 14 <SEP> Tagen <SEP> 30 <SEP> kg <SEP> Ca-Glu.conat
<tb> B <SEP> " <SEP> " <SEP> 20 C <SEP> " <SEP> 14 <SEP> 13 <SEP> " <SEP> "
<tb> C <SEP> <B>39 <SEP> 31</B> <SEP> " <SEP> 20 C <SEP> " <SEP> 25 <SEP> 19 <SEP> " <SEP> " Arbeitsweisen, bei denen die Pilzdecke nicht wie nach dem Verfahren gemäss der Erfindung abgehoben wurde.
a) Im gleichen Gärgefäss wie im Bei spiel I wird in analoger Weise eine Pilz dicke zur Entwicklung gebracht und nach etwa 2, 6 und 9 Tagen je weitere 6 kg Roh zucker in 15%iger Lösung und etwa 4 kg CaC03 zugesetzt. Nach insgesamt 12tägiger Gärzeit in Ruhe wurden aus 24 kg Roh zucker nur etwa 5 kg Ca-Gluconat und 4 kg Ca-Citrat gewonnen. Dabei sind noch grosse Mengen an Zucker unverbraucht.
b) Es wird ein Gäransatz mit gleicher Gärmaische wie bei Beispiel V angestellt, mit dem Unterschiede, dass keine Buttersäure zugesetzt wird und die Decke nicht ab gehoben wird. Die Ausbeute betrug 10 kg Ca-Gluconat.
Das Ausführungsbeispiel I zeigt gegen über der Arbeitsweise a, bei welch letzterer die Decke nicht abgehoben wurde, die Aus beutesteigerung an Calciumgluconat, die in folge Abhebens der Decke und des dadurch ermöglichten Entweichens der Kohlensäure eintritt.
Das Beispiel II zeigt gegenüber dem Beispiel III die günstige Auswirkung des Zusatzes von Giftstoffen auf die Aus beute und die Reinheit des Caleiumgluco- nates bei .der Durchführung der Gluconsäure- gärung unter Benutzung des Abhebens von Decken. Während die Beispiele I bis III, sowie die Arbeitsweise a unter Benutzung von Schimmelpilzen durchgeführt wurden, werden in dem Beispiele IV und der Arbeits- weise b Bakterien verwendet. Das Beispiel V zeigt die Auswirkung der günstigen Gär temperatur.