Verfahren zur Leistungssteigerung bei der kontinuierlichen Züchtung von Hefe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Leistung bei der Herstellung von Hefe aus zuckerhaltigen Nährlösungen. Die spezifische Leistung einer gegebenen Züchtungsvorrichtung, d. h. die Produktion an Biomasse (Hefetrockensubstanz) pro Volumeneinheit eingefüllter Nährlösung in der Zeit wird bei der kontinuierlichen Züchtung als sog. Produktivität (DX) ausgedrückt.
Im Ausdruck (DX) bedeuten D = Verdünnungsrate = F - Zufluss
V arbeitendes Volumen (h1) und
X = Biomasse (Trockensubstanz) (g/l).
Aus der Theorie der kontinuierlichen Züchtung lässt sich ferner entnehmen, dass D = ,u (,1 = spezifische Wachstumsrate) entspricht. Die Produktivität einer gegebenen Züchtungsvorrichtung lässt sich also aus der Hefekonzentration und der spezifischen Wachstumsrate jederzeit bestimmen. Die bei der kontinuierlichen Züchtung sich einstellende Hefekonzentration ist um so grösser, je konzentrierter die verwendete Nährlösung ist, während die spezifische Wachstumsrate vor allem von der geeigneten Zusammensetzung der Nährlösung abhängt. Bei Hefer wirken neben einzelnen Vitaminen vor allem auch gewissf Aminosäuren wie Glutaminsäure oder Asparagin beschleunigend auf das Wachstum (z. B. Osterreichisches Pa tent A 10 357/66, und andere Länder). Ausserdem ist seit langem bekannt, dass für die Umwandlung von Zucker in Hefe Sauerstoff notwendig ist.
Bei ungenügender Sauerstoffversorgung wird auf Kosten der Hefesubstanz Alkohol oder Aldehyd gebildet. Die eingangs erwähnte Leistungssteigerung durch Verwendung von hochkonzentrier ten Nährlösungen ist also nur möglich, wenn gleichzeitig die Sauerstoffversorgung in entsprechendem Ausmass erhöht werden kann. Züchtungsvorrichtungen, die pro Zeiteinheit nur geringe Mengen Sauerstoff von der Gasphase in Lösung zu bringen vermögen, sind daher für die Verwendung höher konzentrierter Nährlösungen ungeeignet.
Eine Möglichkeit zur Leistungssteigerung bietet sich in diesem Falle nur durch den Zusatz von wachstumsbeschleunigenden Substanzen an (vgl. oben zitiertes Patent).
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass diese Aminosäuren teuer und in der Auswahl kritisch sind.
Um den Zusatz teurer wachstumsfördernder Substanzen zu umgehen, dosierte man bei den bisher üblichen Verfahren die Zuckerzugabe derart, dass in den Nährlösungen keine unerwünschte Anreicherung von Alkohol bzw. Aldehyd entstand. Bei den dabei verwendeten Züchtungsvorrichtungen war die Produktion an Biomasse verhältnismässig gering und betrug höchstens einige Gramm Trockensubstanz pro Liter und Stunde. Die Steigerung der Produktivität durch Erhöhung der Zuckerzugabe war ohne Ausbeuteverluste nicht möglich.
Dem vorliegenden Patent liegt die Beobachtung zugrunde, dass sich bei Hefe die Umsatzrate des oxydativen Teils der Kohlehydratumwandlung durch Verbesserung der Sauerstoffversorgung stark erhöhen lässt. Diese Eigenschaft der Hefezellen ist bis jetzt nur ungenügend ausgenützt worden und Umsatzraten von weniger als 1 Millimol Glucose pro Gramm Biomasse (als Trockensubstanz) und Stunde werden normalerweise in Kauf genommen. Je nach Hefestamm und O2-Versorgung lassen sich aber Umsatzraten erreichen, die das 5- bis 10fach dieser Menge betragen. Dadurch wird es möglich, bedeutend grössere Mengen Zucker pro Zeiteinheit gärungsfrei umzusetzen.
Die vorliegende Erfindung lehrt ein Verfahren, die Produktion an Biomasse auch bei höherer Zuckerzugabe zu steigern, ohne dass wachstumsbeschleunigende Substanzen zugesetzt werden müssen. Das Verfahren besteht darin, dass durch Sauerstoff-Versorgung im Überschuss die Umsatzrate des oxydativen Teils der Kohlehydratumwandlung gesteigert wird, indem der Sauerstoff in feinster Verteilung in einer die Aufnahmefähigkeit der Hefe um ein Mehrfaches übersteigenden Menge zugeführt wird.
Beispiel
Verwendet wurde ein Züchtungssystem, das pro Stunde und Liter rund 400 mM Sauerstoff aus der zugeführten Belüftungsluft in Lösung zu bringen vermag. Die Lösungsgeschwindigkeit ist nur erreichbar, wenn ausser einer ausreichenden Zufuhr von natürlicher Luft für eine intensive Mischung der Reaktionssuspension gesorgt wird.
Mit einem Medium, das neben Melasse ausreichende Mengen Stickstoff, Phosphor, Kalium, Magnesium und Spurenelemente enthält, wurde bei gleichbleibendem Verhältnis der Substanzen die Konzentration gesteigert und bei kontinuierlicher Züchtung von Futterhefe die maximale Produktivität (D X)maX bestimmt, indem die Verdün nungsrate D schrittweise gesteigert und nach dem jeweiligen Eintritt des stationären Zustandes (=Fliessgleichgewicht) die vorhandene Hefekonzentration X bestimmt wird. Der höchste Wert für (D X) wird als maximale Produktivität (D X)maX bezeichnet.
Mit der erwähnten Züchtungsvorrichtung wurden für (D X)maX im erwähnten Medium mit einem Futterhefestamm ohne Aminosäurezusatz (AS) folgende Werte erreicht: Zuckerkonzentration (D X)max O-Verbrauch gTS/hl O2-Angebot
1 % ohne (AS) 1.4 1:10
5 % ohne (AS) 7 1:2 10 010 ohne (AS) 2bis4 1:1 10 % mit (AS) 12 1:1
Die Resultate der letzten Zeile dieser Tabelle (10 %+G) wurden erhalten, wenn der Nährlösung Glutaminsäure zugesetzt wurde. Es wird also ersichtlich, dass bei genügendem O2-Überschuss der Zusatz von Aminosäuren unnötig wird.
Beträgt das Verhältnis von O2-Ver- brauch zu O-Angebot nur 1:1, fällt die Produktivität stark ab. Durch Zusatz von Aminosäuren kann sie wesentlich verbessert werden, wenn auch in diesem Beispiel nicht 14 g/hl erreicht worden sind, wie dies in Analogie zu den verdünnteren Lösungen der Fall sein müsste. Verwendet man eine bezüglich Zucker 5 0/obige Nährlösung ohne Aminosäurezusatz wie im obigen Beispiel dargestellt wurde, resultieren hohe Apparateleistungen. Ein Reaktor mit 100 m3 Reaktionssuspension produziert beispielsweise 17 Tonnen Trocken-Futterhefe/Tag, wobei diese Menge keinesfalls die obere Grenze darstellt.
Process for increasing the performance of the continuous cultivation of yeast
The invention relates to a method for increasing the performance in the production of yeast from nutrient solutions containing sugar. The specific performance of a given growing device, i.e. H. the production of biomass (dry yeast substance) per unit volume of nutrient solution filled in over time is expressed as so-called productivity (DX) in continuous cultivation.
In the expression (DX), D = dilution rate = F - inflow
V working volume (h1) and
X = biomass (dry matter) (g / l).
From the theory of continuous growth it can also be seen that D =, u (, 1 = specific growth rate). The productivity of a given cultivation device can thus be determined at any time from the yeast concentration and the specific growth rate. The yeast concentration that occurs during continuous cultivation is greater, the more concentrated the nutrient solution used, while the specific growth rate depends primarily on the suitable composition of the nutrient solution. In the case of yeast, not only individual vitamins but also certain amino acids such as glutamic acid or asparagine have an accelerating effect on growth (e.g. Austrian patent A 10 357/66, and other countries). In addition, it has long been known that oxygen is necessary for the conversion of sugar into yeast.
If the oxygen supply is insufficient, alcohol or aldehyde are formed at the expense of the yeast substance. The aforementioned increase in performance through the use of highly concentrated nutrient solutions is therefore only possible if the oxygen supply can be increased to a corresponding extent at the same time. Cultivation devices which are able to bring only small amounts of oxygen from the gas phase into solution per unit of time are therefore unsuitable for the use of more highly concentrated nutrient solutions.
In this case, the only way to increase performance is to add growth-accelerating substances (cf. patent cited above).
However, this method has the disadvantage that these amino acids are expensive and the selection is critical.
In order to avoid the addition of expensive growth-promoting substances, the usual methods of adding sugar were dosed in such a way that no undesired accumulation of alcohol or aldehyde occurred in the nutrient solutions. With the cultivation devices used, the production of biomass was relatively low and amounted to a few grams of dry matter per liter and hour at most. It was not possible to increase productivity by increasing the addition of sugar without a loss of yield.
The present patent is based on the observation that in yeast the conversion rate of the oxidative part of the carbohydrate conversion can be greatly increased by improving the oxygen supply. This property of yeast cells has so far only been insufficiently exploited and conversion rates of less than 1 millimole of glucose per gram of biomass (as dry matter) and hour are normally accepted. Depending on the yeast strain and O2 supply, however, conversion rates can be achieved that are 5 to 10 times this amount. This makes it possible to convert significantly larger amounts of sugar per unit of time without fermentation.
The present invention teaches a method to increase the production of biomass even with a higher amount of sugar added, without growth-accelerating substances having to be added. The method consists in that the oxygen supply in excess increases the conversion rate of the oxidative part of the carbohydrate conversion by supplying the oxygen in a very fine distribution in an amount which is several times greater than the absorption capacity of the yeast.
example
A culture system was used which is able to dissolve around 400 mM oxygen per hour and liter from the supplied ventilation air. The speed of dissolution can only be achieved if, in addition to a sufficient supply of natural air, intensive mixing of the reaction suspension is ensured.
With a medium that contains sufficient amounts of nitrogen, phosphorus, potassium, magnesium and trace elements in addition to molasses, the concentration was increased while the ratio of the substances remained the same and, with continuous cultivation of fodder yeast, the maximum productivity (DX) was determined by increasing the dilution rate D. increased and after the respective entry of the steady state (= steady state) the existing yeast concentration X is determined. The highest value for (D X) is called the maximum productivity (D X) max.
With the mentioned breeding device, the following values were achieved for (D X) max in the mentioned medium with a feed yeast strain without amino acid addition (AS): Sugar concentration (D X) max O consumption gDM / hl O2 supply
1% without (AS) 1.4 1:10
5% without (AS) 7 1: 2 10 010 without (AS) 2bis4 1: 1 10% with (AS) 12 1: 1
The results of the last line of this table (10% + G) were obtained when glutamic acid was added to the nutrient solution. It can therefore be seen that with a sufficient excess of O2, the addition of amino acids becomes unnecessary.
If the ratio of O2 consumption to O supply is only 1: 1, productivity drops sharply. It can be significantly improved by adding amino acids, even if 14 g / hl have not been reached in this example, as would have to be the case in analogy to the more dilute solutions. If one uses a nutrient solution with respect to sugar 50 / above without the addition of amino acids, as shown in the above example, the apparatus outputs are high. A reactor with 100 m3 of reaction suspension produces, for example, 17 tons of dry fodder yeast / day, whereby this amount is by no means the upper limit.