DD142453A1

DD142453A1 - Verfahren zur kultivierung von hefen

Info

Publication number: DD142453A1
Application number: DD21152379A
Authority: DD
Inventors: Joerg Schneider; Gerhard Frommholz; Erhard Feiler; Helga Hoermann; Marion Lemke
Original assignee: Joerg Schneider; Gerhard Frommholz; Erhard Feiler; Helga Hoermann; Marion Lemke
Priority date: 1979-03-12
Filing date: 1979-03-12
Publication date: 1980-06-25

Abstract

Das Verfahren betrifft das Gebiet der technischen Mikrobiologie. Das Ziel der Erfindung besteht darin, die bei der kontinuierlichen Züchtung von Hefen durch Prozeßstörungen hervorgerufenen Verluste an Zucker zu vermeiden. Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine charakteristische Prozeßkenngröße zu finden sowie ein Prozeßregirae anzugeben, das bis zur Beseitigung der Störung eingehalten wird. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß als Prozeßkenngröße die Konzentration der flüchtigen Fettsäuren im Fermentationsmedium herangezogen wird. Bei Prozeßstörungen wird Zucker von der Hefe nicht mehr vollständig verwertet, damit steigt die Konzentration der flüchtigen Fettsäuren sprunghaft an. Erfindungsgemäß muß die Zuckerzufuhr so weit gedrosselt werden, daß der Zucker wieder vollständig verwertet wird. Dia Konzentration an flüchtigen Fettsäuren sinkt. Nach Beseitigung der Prozeßstörung wird die Zuckerzufuhr wieder erhöht. Anwendungsgebiete der Erfindung sind Prozesse zur Züchtung von Hefen mit Zuckern oder zuckerhaltigen Roh- und Abfallstoffen zur Gewinnung von Eiweiß für Ernährungszwecke.

Description

Verfahren zur Kultivierung von Hefen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Kultivierung von Hefen, die nicht oder nur in geringem Maße zur Gärung fähig sind. Als Kohlenstoffsubstrate finden Zucker oder technische Rohstoffe, die Zucker enthalten, Verwendung.

Die Erfindung kann in neuen oder schon bestehenden Anlagen zur Produktion von Futterhefe oder anderem mikrobiellen Eiweiß besonders auf solche Permentationsprozesse angewandt werden, die unter ungeschützten Bedingungen und/oder mit Rückführung des Prozeßwassers durchgeführt werden. Die Erfindung ist in die IPK C 12 C einzuordnen.

Charaktaristik der bekannten technischen Lösungen

Permentationsprozesse zur Züchtung von Hefen mit Zuckern verlaufen nur dann mit hoher Ausbeute und guter Produktqualität, wenn das Wachstum der Hefen durch das Kohlenstoffsubstrat limitiert wird, d.h. wenn alle anderen für die Versorgung der Hefen notwendigen Nährstoffe einschließlich Sauerstoff in einem gewissen Überschuß vorhanden sind. Kommt es zu Störungen des Pennentationsprozesses, indem z.B. die Sauerstoffeintragsleistung absinkt oder die Versorgung der Hefen mit anorganischen Ionen unzureichend ist, so wird das Kohlenstoffsubstrat nicht mehr vollständig verwertet, die Hefeausbeute sinkt und bakterielle Infektionen nehmen rapide zu.

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Zu einer schlechten Verwertung des Kohlenstoffsubstrates kommt es auch, wenn die Fermentationsparameter von den Optimalwerten abweichen.

Bei bekannten Verfahren zur Aufrechterhaltung eines stabilen Permentationsprozesses wird das Kohlenstoffsubstrat in Abhängigkeit von Verbrauch anderer, für das Hefewachsturn notwendiger Stoffe, wie Sauerstoff oder Ammoniumstickstoff zugeführt

In der DE-OS 1 442 O76 wird die Zufuhr des Kohlenstoffsubstrates in Abhängigkeit von der Konzentration vom im Fermentationsmedium gelösten Sauerstoff beschrieben. In ähnlicher Weise erfolgt nach der DE-OS 1 953 430 die Zufuhr des Kohlenstoffsubstrates in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt der Fermentorabluft.

nachteilig ist bei diesen Verfahren, daß sich die genannten Prozeßkenngrößen nur graduell ändern. Da der Verbrauch von Sauerstoff nicht nur beim Wachstum der Hefe, sondern z.B. auch bei Atmungsvorgängen eintritt, ist die Zufuhr des Kohlenstoffsubstrates aufgrund des Sauerstoffverbrauches nur dann sinnvoll, wenn keine anderweitigen Störungen auftreten.

In der DE-OS 2 217 909 wird vorgeschlagen, das Kohlenstoffsubtrat nur in dem Maße zuzuführen, wie Ammoniak für die Proteinsynthese verbraucht wird. Die Zufuhr des Kohlen-Stoffsubstrates wird mit der Dosierung von Ammoniak gekoppelt. Die Anwendung dieser Verfahrensweise bei technischen Prozessen hat zur Voraussetzung, daß das Kohlenstoffsubstrat in konzentrierter Porm eingesetzt werden kann, wie z.B. Äthanol. Bei vielen technischen Verfahren zur Hefezüchtung liegt das Kohlenstoffsubstrat in sehr verdünnter Lösung vor und eine Kopplung mit der von der pH-Regelung gesteuerten Ammoniakdosierung ist technisch schwer zu realisieren. Günstiger ist die Regelung der Kohlenstoffsubstratzufuhr in Abhängigkeit von der Bildung von Metaboliten. Metaboliten werden bevorzugt gebildet, wenn das Kohlenstoffsubstrat im Überschuß vorhanden ist. Wird das Wachstum der Hefen durch das Kohlenstoffsubstrat limitiert, werden keine Metaboliten gebildet.

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In der DE-OS 1 080 048 wird dazu ein Verfahren beschrieben, bei dem die Zufuhr von Melasse als Kohlenstoffsubstrat für die BackhefeZüchtung in Abhängigkeit des bei Melasseüberschuß gebildeten Äthanols gesteuert wird. Dieses Verfahren ist aber auf die Züchtung von Gärhefen beschränkt. Zur Züchtung von nicht zur Gärung befähigten Hefen mit Zuckern, die nicht vergoren werden können (z.B. den Pentosen der Laubholzsulfitablaugen) ist es nicht geeignet.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die bei der kontinuierlichen Züchtung von Hefen, besonders von Stämmen, die nicht zur Gärung befähigt sind, durch Prozeßstörungen hervorgerufene Zuckerverluste zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine charakteristische Prozeßgröße zu finden, mit der bei Fermentationsprozessen Störungen verschiedenster Art schnell und sicher erkannt werden

Für den Fall einer Prozeßstörung wird ein geeignetes Prozeßregime angegeben, das aufrechtzuerhalten ist, bis die Störung mit bekannten Mitteln beseitigt worden ist. Überraschenderweise wurde gefunden, daß sich als charakteristische Kenngröße für den Verlauf eines kontinuierlichen Fermentationsprozesses die Konzentration an gebildeten flüchtigen Fettsäuren im wäßrigen Fermentationsmedium eignet, Flüchtige Fettsäuren sind Monokarbonsäuren im Kettenlängenbereich von C₂ bis Cg.

Diese flüchtigen Fettsäuren liegen bei einem ungestörten kontinuierlichen Fermentationsprozeß, bei dem das Wachstum der Hefe durch das Kohlenstoffsubstrat begrenzt wird, in Konzentrationen bei 5 mg/1 im Fermentationsmedium vor. Bei unvollständiger Verwertung des Kohlenstoffsubstrates für das Wachstum der Hefen nimmt die Konzentration der flüchtigen Fettsäuren im Fermentationsmedium sprunghaft zu und erreicht Werte über 100 mg/1.

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Die unvollständige Verwertung des Kohlenstoffsubstrates wird durch eine Vielzahl unterschiedlicher Prozeßstörungen ausgelöst, wie . ~ mangelhafte Versorgung der Hefe mit anorganischen Ionen oder Sauerstoff,

- von den Optimalwerten abweichende Fermentationsparameter, bes. Temperatur und pH-Wert,

- chemische und mikrobielle Kontamination des Fermentationsmediums.

Bei allen derartigen Prozeßstörungen wird ein Kohlenstoffsubstratüberschuß erzeugt, der zum Teil durch die Stoffwechseltätigkeit der Hefen in flüchtige Fettsäuren umgewandelt wird. Das Auftreten von flüchtigen Fettsäuren im Fermentationsmedium ist damit sicheres Kennzeichen für unvollständige Verwertung des Kohlenstoffsubstrates aufgrund einer Prozeßstörung.

Vorteilhaft ist besonders, daß flüchtige Fettsäuren bei Einsatz unterschiedlicher Zucker gebildet werden, wie sie in den technischen Rohstoffen vorkommen.

Die analytische Bestimmung der Konzentration an flüchtigen Fettsäuren ist nach verschiedenen bekannten Methoden sowohl manuell als auch mit automatisch arbeitenden Geräten möglich. Gebräuchlich ist die Titration der flüchtigen Fettsäuren nach destillativer Abstrennung aus dem Fermentationsmedium sowie der Nachweis mit Gaschromatographie oder Dünnschichtchromatographie. Die laufende Bestimmung der Konzentration an flüchtigen Fettsäuren ist im Rahmen der Prozeßanalytik ohne Schwierigkeiten möglich. Wird bei einem Fermentationsprozeß das Ansteigen der Konzentration an flüchtigen Fett- säuren festgestellt, so wird erfindungsgemäß die Zufuhr an Kohlenstoffsubstrat gedrosselt. Damit wird der durch die Prozeßstörung hervorgerufene Kohlenstoffsubstratüberschuß abgebaut, Verluste an Kohlenstoffsubstrat werden dadurch vermieden. Diese Verluste kommen dadurch zustande, daß Kohlenstoff substrat ungenutzt ins Abv/asser gelangt,' daß weiterhin überschüssiges Kohlenstoffsubstrat zu Kohlendioxid veratmet wird und in.Stoffwechselprodukte umgewandelt wird und damit für die Zellsubstanzsynthese verloren geht,

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Wach Drosselung der Kohlenstoffsubstratzufuhr sinkt die Konzentration an flüchtigen Fettsäuren wieder ab. Damit werden weitgehende Störungen des Fermentationsprozesses vermieden, da die flüchtigen Fettsäuren in höherer Konzentration außerdem das Hefewachstum inhibieren.

Wegen der zunehmenden bakteriellen Infektion muß der Fermentationsprozeß abgebrochen werden. Wird der Fermentationsprozeß mit Rückführung des Prozeßwassers betrieben, so wirken sich Prozeßstörungen besonders nachteilig aus, da die flüchtigen Fettsäuren zum Teil in den Prozeß zurück geführt werden.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch diese Störquelle rechtzeitig erkannt und ausgeschaltet. Unter diesen Bedingungen wirken sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders günstig aus.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß sich die Erfindung in bestehenden Verhefungsanlagen anwenden läßt, da keine, über die Standardausrüstung hinausgehenden, speziellen technischen Einrichtungen notwendig sind.

Die Konzentration an flüchtigen Fettsäuren ist abhängig von der Höhe des Zuckerüberschusses. Je größer der durch Prozeßstörungen hervorgerufene Zuckerüberschuß ist, desto höher steigt die Konzentration der flüchtigen Fettsäuren an.

Damit kann, entsprechend der Konzentration an flüchtigen Fettsäuren, die Kohlenstoffsubstratzufuhr gedrosselt werden, um einen stabilen Prozeßzustand zu erhalten. Der Zusammenhang zwischen der Konzentration an flüchtigen Fettsäuren und der notwendigen Verminderung der Substratzufuhr geht aus Tabelle 1 hervor.

Tabelle^

Konzentration der flüchtigen Verminderung der Kohlen- Fettsäuren (mg/1) stoff substratzufuhr (%)

³⁴ -6-

0 -	5
5 -	10
10 -	20
20 ~	50
50 -	100

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Das Prozeßregime mit gedrosselter Kohlenstoffsubstratzufuhr wird so lange aufrechterhalten, bis die Prozeßstörung mit bekannten Mitteln beseitigt worden ist. Bei dem Prozeßregime mit gedrosselter Kohlenstoffsubstratzufuhr tritt kein signifikanter Ausbeuteverlust an Hefe ein, da nur noch so viel Kohlenstoffsubstrat zugeführt wird, wie aufgrund der durch die Prozeßstörung gegebenen Milieubedingungen von den Hefen für die Zellsubstanzsynthese verwertet werden kann. Die Produktivität des Fermentationsprozesses sinkt zwar ab, da aber die Ausbeute an Hefe, bezogen auf die eingesetzte Zuckermenge, gleich bleibt, werden Verluste an Zucker vermieden. Nach Beendigung der Prozeßstörung wird die Zufuhr des Kohlenstoffsubstrates wieder auf die ursprüngliche Höhe gebracht. Die Erhöhung der Kohlenstoffsubstratzufuhr erfolgt zweckmäßig schrittweise, wenn die vorausgegangene Drosselung in erheblichem Umfang vorgenommen werden mußte.

Beispiel 1:

In einem Mammutpumpenfermentor mit einem Bruttovolumen von 450 m und einem Arbeitsvolumen von 16O m wurde die Hefe Candida utilis unter kontinuierlichen Bedingungen gezüchtet. Folgende Fermentationsparameter wurden eingehalten:

pH-Wert des Fermentationsmediums 4»0 Fermentortemperatür Verweilzeit

Die verwendete Nährlösung hatte folgende Zusammensetzung:

Rohrohrzucker Melasse

Phosphorsäure 75% 30 Magnesiumsulfat

Eisen-II-sulfat (FeSO..

Zinksulfat (ZnSO..7H₂O)

Mangansulfat (MnS0.,5H₂

Kupfersulfat (CuSO,.5H₂O) 1,6 g/m³

33	⁰C
4 nde	h Zusamme
.LJL Vt vs 20	£J W. w vAi JULI tv Wv?*
10	kg/m³
875	g/m³
*273	g/m³
25	,9 g/m³
8	,8 g/m³
8	,8 g/m³

- Y - £ I I ΟΔΟ

80% der wäi3rigen Phase des Permentorablaufes wurden in den Prozeß zurückgeführt. Zur Stickstoffversorgung der Hefe wurde Ammoniaklösung direkt in den Permentor gepumpt· Bei dem Verhefungsprozeß wurden über einen Zeitraum von Wochen folgende Werte erreicht:

Konzentration der flüchtigen Fettsäuren 2-6 mg/1

Konzentration an Hefetrockensubstanz 12,5 kg/m

Ausbeute (bezogen auf Saccharose) 52,0 %

Produktivität 3,1 Wm χ h

Konzentration der Saccharose ' 0,6 g/l

Durch eine Störung in der Pumpstation war die Zufuhr der Nährsalze vermindert. !Fach 2 Stunden stieg der Gehalt an flüchtigen Fettsäuren auf 50 mg/1 an, während bei den anderen Prozeßführungsgrößen, wie Biomassekonzentration, Rest-Zucker-Gehalt, COp- und Op-Gehalt der Permentorabluft noch keine signifikanten Veränderungen beobachtet werden konnten. Aufgrund der ansteigenden Fettsäurekonzentration wurde die Substratzufuhr um 30% gedrosselt. Nach 8 Stunden wurden folgende Werte, die den neuen Prozeßzustand charakterisieren, ermittelt:

Konzentration an Hefetrockensubstanz 8,6 kg/m Ausbeute (bezogen auf Saccharose) 51,2 % Produktivität 2,2 kj/iir χ h

Konzentration an Saccharose im Fermentationsmedium 0,5 g/l

Die Konzentration an flüchtigen Fettsäuren sank von 50 mg/1 auf etwa 5 mg/1 nach der Verringerung der Substratzufuhr ab. Nach Beseitigung der technischen Störung konnte die Substratzufuhr in mehreren Schritten auf die ursprüngliche Höhe gebracht werden. Nennenswerte Verluste an Zucker traten nicht auf.

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Beispiel 2;

In einem Fermentationsprozeß wie im Beispiel 1 wurde bei einer Prozeßstörung, ausgelöst durch den Ausfall eines Belüftungsaggregates, die Substratzufuhr nicht gedrosselt. Nach 10 Stunden wurden folgende charakteristische Prozeßkenngrößen ermittelt:

Konzentration der flüchtigen Fettsäuren 80 mg/1 Konzentration an Hefetrockensubstanz 8,3 ^"

Ausbeute (bezogen auf Saccharose) 34,6 % Produktivität 2,1 kg/m³ . 1

Konzentration an Saccharose im:

Fermentationsmedium 0,8 g/l

Aufgrund der gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren abgesunkenen Ausbeute gingen 33,5% des in den Fermentor eingetragenen Zuckers für die HefeZüchtung verloren.

Claims

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Patentanspruch

Verfahren zur Kultivierung von Hefen auf Kohlenhydraten, wie Zucker oder technischen Rohstoffen, die Zucker enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß während der Kultivierung fortlaufend die Konzentration der gebildeten flüchtigen Fettsäuren im Fermentationsmedium bestimmt und bei einem Ansteigen der Konzentration über 5 mg/1 die Zufuhr des Kohlenstoffsubstrates gedrosselt wird, bis die Ausgangskonzentration der flüchtigen Fettsäuren wieder erreicht ist und anschließend die Zufuhr des Kohlenstoffsubstrates wieder schrittweise bis zum Ausgangswert erhöht wird.