DD211921A3 - Verfahren zur gewinnung von biomasse mit vermindertem nukleinsaeuregehalt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Biomasse mit vermindertem Nukleinsaeuregehalt auf Basis n-alkanhaltiger Kohlenwasserstoffgemische und Hefen auf dem Gebiet der Biotechnologie. Das Ziel der Erfindung besteht in der Gestaltung eines Verfahrens zur Gewinnung von Biomasse mit einem verminderten Nukleinsaeuregehalt, das eine breite und ernaehrungsphysiologisch guenstige Anwendung der Biomasse als Futtermittelkomponente in der Tierernaehrung ermoeglicht. Der Erfindung liegt hierbei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das die Herstellung einer Biomasse mit vermindertem Nukleinsaeuregehalt ohne zusaetzliche technisch-oekonomische Massnahmen zur Qualitaetssicherung erlaubt.Erfindungsgemaess wird die Aufgabe so geloest, dass die im Fermentationsprozess gewonnene Biomasse/Kohlenwasserstoffgemisch/Prozesswasser/Luft-Suspension durch einen nachfolgenden Aufrahmungsprozess von einem Teil des Prozesswassers befreit wird und danach bei Anwesenheit eines oberflaechenaktiven Hilfsstoffes erwaermt und die eingestellte Temperatur eine bestimmte Zeit bei einem erhoehten pH-Wert gegenueber dem in der Fermentation gehalten wird. Das unter dieser Kombination von Massnahmen innerhalb des Gewinnungsverfahrens der Biomasse gewonnene Endprodukt stellt eine wertvolle Futtermittelkomponente in der Tierernaehrung dar.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Gewinnung von Biomasse mit vermindertem !nucleinsäuregehalt

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Biomasse mit vermindertem nucleinsäuregehalt, die durch eine mikrobielle Konvertierung von n-»alkanhaltigen Kohlenwasserstoffgemischen, insbesondere Erdöldestillaten bzw, -raffinaten mit Hefen gewonnen werden« Sie kann in der mikrobiologischen Industrie angewendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Wesentliche Qualitätsmerkmale mikrobiell gewonnener Biomasse werden durch das eingesetzte Substrat, den eingesetzten Produktionsstamm und durch die Züchtungsbedingungen bei aeroben, nicht geschützten Permentationsprozessen bestimmt. Das betrifft solche charakteristischen Eigenschaften, wie den Rohprotein- und Vitamingehalt, den Spurenelementegehalt und insbesondere den Bukleinsäuregehalt· Bei dem zuletzt genannten Merkmal ist davon ausgegangen worden, daß erhöhte ITukleinsäuregehalte in mikrobiell en Biomassen aus ernährungsphysiologischen Aspekten bei ihrem Einsatz als Tierfutterkomponente nicht günstig sind. Mikroorganismen sind aufgrund ihres relativ hohen Phosphorgehaltes

besonders gute Bukleinsäureträger.

Zur Erniedrigung des Bukleinsäuregehaltes in Biomassen bietet der Stand der Technik eine Vielzahl von Verfahren an, die durch eine gezielte nachbehandlung der Biomasse eine Herab-. setzung des Hukleinsäuregehaltes bewirken- Hierbei wird die lukleinsäureentfernung mittels alkalischer Extraktion mit und ohne Zerstören der Zellen durch mechanische Einflüsse sowie mit und ohne Temperaturerhöhung durchgeführt. Das Ziel "solcher Operationen ist dabei meistens die Gewinnung eines Eiweißkonzentrates (lovland, J. Harper, J. M.. und Prey, A. L. Lebensmittelwissenschaft und -technologie 9,> 131 bis 142 (1976).

Diese Verfahren bedeuten die Einführung von zusätzlichen Maßnahmen in das entsprechende Biomassegewinnungsverfahren und stellen eine ökonomisch-technische Belastung dar.

Es sind nur wenige Verfahren bekannt, wo durch geeignete ¥/ahl der Züchtungs- und Aufarbeitungsparameter der Biomasse innerhalb des Gewinnungsverfahrens der Biomasse selbst eine Reduzierung des lukleinsäuregehaltes bewirkt wird. Das betrifft die Zugabe von Hilfsstoffen mit Inhibitorwirkung für die Sukleinsäurebildung im Permentationsprozeß. Außer der zusätzlichen Zugabe eines Hilfsstoffes können damit auch weitere Iebenreaktionen bei der BiomasseZüchtung ausgelöst werden»

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist'ein Verfahren zur Gewinnung von Biomasse mit einem verminderten Hukleinsäuregehalt, das eine breite und ernährungsphysiologisch günstige Anwendung der Biomasse als Puttermittelkomponente in der Tierernährung erlaubt.

Darlegung' des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das die Herstellung einer Biomasse mit vermindertem Nucleinsäuregehalt ermöglicht, ohne daß zusätzliche technisch-ökonomische Maßnahmen zur Qualitätssicherung der Biomasse notwendig sind und der Wertstoffgehalt an Eiweiß und Vitaminen voll erhalten bleibt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, daß die im Fermentationsprozeß gewonnene Biomasse/Kohlenwasserstoff-

TO gemisch/Prozeßwasser/Luft-Suspension durch einen anschließenden Aufrahmungsprozeß von einem Teil des Prozeßwassers befreit und erwärmt wird und eine bestimmte Zeit bei dieser Temperatur gehalten wird und gleichzeitig der pH-Wert der Suspension gegenüber dem in der Fermentation erhöht wird.

Die Anwendung von erhöhten Temperaturen bewirkt bei Mikroorganismen einen größeren Einfluß auf den gesainten Stoffwechselmechanismus, d, h. sowohl auf den Mineralstoffwechsel als auch auf den Zellstoffwechsel« Eine Beeinflussung von Enzymsynthesen und -aktivitäten und die Synthese sowie der Abbau von Aminosäuren und organischen Säuren ist festzustellen. Die Mikroorganismen erfahren eine Vielzahl von Veränderungen physikalischer und chemischer Art. Es kommt zu einer Beeinflussung des physiologischen Zustandes und der chemischen Zusammensetzung der Biomasse. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Mikroorganismenzelle in der Lage ist, Stoffe zu speichern und solche Stoffe bei Limitationen zu nutzen. Überraschenderweise wurde dabei gefunden, daß es bei diesen Vorgängen graduelle Beeinflussungen bei Antvesen-

heit von oberflächenaktiven Substanzen und je nach der Führung des Temperatur- und Zeit- sowie pH-Fiveaus des Mediums gibt. Diese Permeabilität der Biomasse bei Erwärmung unter Anwesenheit von einem oberflächenaktiven Stoff und einer pH-Wert-Veränderung kann durch die Vorgänge einer Thermolyse, Autolyse, enzymatischen Permeabilisierung und außerdem der

Permeabilisierung bei Einfluß eines Tensides erfolgen« Der letztere Einfluß ist mit entscheidend für die vollkommenere Permeabilität der Biomasse· ÜTach der Erwärmung der Biomasse suspension 'ist die Biomasse merklich geschrumpft und deformiert. Für die Qualität der Biomasse als auch für die anderen im System befindlichen Stoffe ist von großer Bedeutung, unter welchen konkreten Bedingungen das Verfahren arbeitet. Bei zu langer Erwärmung der Biomasse kommt es zu erheblichen Verlusten an Biomasse und zur Beeinflussung der anderen Stoffe im System.

Ss wurde desweiteren überraschenderweise gefunden, daß bei Vorliegen eines Systems Biomasse/Kohlenwasserstoffgemisch/ Prozeßwasser/Luft, erhalten durch die nichtgeschützte, aerobe Züchtung einer Hefe auf einem Kohlenwasserstoffgemisch im Siedebereich von 513 K bis 633 K und einer Teilentwässerung der Suspension durch einen nachfolgenden Aufrahmungsprozeß durch Zusatz eines Tensides bei gleichzeitiger Erwärmung der Suspension auf 338 K bis 363 K, vorzugsweise 353 K bis 353 K und der Haltung der Temperatur über 5 bis 40 Minuten, vorzugsweise 10 bis 25 Minuten sowie einem pH-Wert des Mediums zwischen 5 und 6 ein erhöhter Austritt von Nukleinsäuren aus der Biomasse in das Prozeßwasser erreicht wird, so daß die im Verfahren gewinnbare Biomasse einen verminderten Hukleinsäuregehalt aufweist.

Das führt zu einer entscheidenden Qualitätssteigerung der Biomasse und damit zur Verbesserung der Applikation des Produktes als Puttermittelkomponente aus ernährungsphysiologischer Sicht, Die technisch-ökonomischen Aufwendungen sind dabei gegenüber anderen zusätzlichen Maßnahmen im Verfahren zur Herabsetzung des Uukleinsäuregehaltes gering. Die in das Prozeßwasser abgegebenen Nukleinsäuren dienen gleichzeitig als Substrat für eine den Gesamtprozeß fördernde, sich auf einem bestimmten ' Hiveau befindliche bakterielle Begleitflora, indem diese akzessorischen Substanzen für das Wachstum der Produktionskultur bereitstellt. Eine Stabilität der Wachstumsgeschwindigkeit und der Wertstoffgewinnung, vor allem des Rohprotein-

und Vi taming ehalte s der Bioinasse, ist dabei festzustellen. An den nachstehenden Beispielen ist die Erfindung näher erläutert.

Beispiel 1

In einem Yersuchsrührfermentor mit einem Gesamtvolumen von 250 et und einem Arbeitsvolumen von 90 t werden in einem ungeschützten, aeroben und kontinuierlichen Prozeß Hefen des Stammes Lodderomyces elongisporus -BIET H 128 auf einer Erdöldestillatfraktion vom Siedebereich 513 K bis 633 K ge-'."O züchtet. Der n-Alkangehalt im eingesetzten Erdöldestillat be-. trägt 16,5 Ha.-%. Die l?ermentationstemperatur ist 306 K, der pH-Wert beträgt 4,2. Die.-spezifische Begasungsintensität beträgt 63OO nr/h, die Energieaufnahme 250 kW. Die Verweilzeit beträgt 5 Stunden, Die Bahr- und Spurensalze werden in Form von zwei Lösungen in den Jermentationsprozeß eingetragen. Hierbei beinhaltet die 1. liährlösung eine 15 %ige Kaliümchloridlösung, die 2.. -Nährlösung eine aus den Medien Magnesiumsulfat, Kupfersulfat, Zinksulfat, Mangansulfat, Eisen-III-chlorid, Phosphorsäure und Wasser bestehende Salzlösung, Entsprechend der im kontinuierlichen Prozeß angestrebten Produktivität und den nachfolgenden spezifischen Verbrauchswerten werden die notwendigen Dosiermengen an lährlösungen zugegeben. Spezifische Verbrauchskennziffem der Hahr- und Spurensalze:

Element ' spezifischer Verbrauchswert g Element/kg Hefetrockensubstanz

P 18

K 20

Mg 0,94

Fe 0,02

.Cu 0,03

Mn 0,16

Zn 0,22

In das wäßrige Kulturmedium wird zur Intensivierung des Fermentationsprozesses ein Hilfsstoff von der Struktur eines Propylenoxid-ethylenoxidaddukts in einer Konzentration von 600 mg/1 wäßriges Kulturmedium zugegeben* Es ergibt sich im Fermentationsprozeß eine Produktivität von 3,6 kg Hefetrockensubstanz/t»h«

Das Yierphasengemisch Erdoldestillat/Biomasse/Prozeßwasser/ luft wird in einem geeigneten Trennapparat einem Aufrahmungsprozeß unterzogen, wobei 60 % des Prozeßwassers abgetrennt werden kann« Febea weiteren StoffWechselprodukten, wie Eiweißbruchstücken, Fettsäuren, koh'lehydrathaltigen Substanzen enthält das abgetrennte Prozeßwasser auch 230 mg Nukleinsäuren/ 1 Prozeßwasser« Zur restlichen Erdöldestillat/Biomasse/Prozeßwasser/Luft-Suspension führt man wiederum.ca· 0,8 g des vor-' stehend genannten Hilfsstoffes zu und erwärmt die Suspension auf 353 K bis 358 K, wobei diese Temperatur 15 Minuten einwirkt· Durch diese Maßnahme werden gleichzeitig Inhaltsstoffe der Hefezellen, vorzugsweise Kaliumionen, ausgeschieden,, so daß ohne Zugabe weiterer Hilfsmittel ein Anstieg des pH-Wertes der Suspension auf pH 5,3 erreicht wird« Unter diesen Bedingungen erfolgt eine bevorzugte Extraktion der Nukleinsäuren, und der Gehalt an Bukleinsäuren im Prozeßwasser beträgt dann 810 mg/1.

Dieser Anteil entspricht einer Abnahme des Fukleinsäurege- ~25 haltes in der Hefebiomasse um ca* 20 %.

Die aufkonzentrierte Biomasse-Suspension wird durch Yakuumeindampfung weiter angereichert und anschließend in einem Düsemspruhtrocknungsprozeß getrocknet. Durch eine extraktive Reinigung der Hefetrockensubstanz in einer Gegenstromdrehscheibenextraktionsanlage bei 313 K mit einem Extraktionsmittelgemisch Benzin-Ethanol-Wasser (80-19-1 Tol-jS) werden die restlichen Kohlenwasserstoffe und der größte Teil der Lipide aus der 3iomasse entfernt« Das Extraktionsmittelgemisch wird durch eine zweistufige thermisehe Trocknung aus der Biomasse entfernt und ein Endprodukt mit einem hohen Rohproteingehalt, einem verminderten Bukleinsäuregehalt und einer hohen Verdaulichkeit erhalten.

Charakteristische Keimzahlen der Biomasse, bezogen auf Trockenurodukt (Ma*-%)

Aussehen: beige bis hellbraun Rohproteingehalt: 62,1

Besatz: ohne Gefüge: nicht klumpig Geruch: arteigen Aschegehalt: 6,4 FeuchtegBhalt: 8,2

Lysingehalt:	7,8
Methioningehalt:	1,5
Hukleinsäuregehalt	: 7,2
Phosphorgehalt:	1,3
biologische Wer
tigkeit:	88

Beispiel 2

Die Gewinnungsbedisgungen für die aufkonzentrierte Biomassesuspension nach dem Aufrahmungsprozeß entsprechen denen im Beispiel 1. Im Prozeßwasser nach der Aufrahmung· des Erdöldestillat/Biomasse/Prozeßwasser/Luf t-Geinisches sind 260 mg Sukleinsäure/1 Prozeßwasser. Der Einfluß der Srwärmungstemperatur und ihrer Dauer bei Anwesenheit eines oberflächenaktiven Hilfsstoffes und einem gleichzeitig angestiegenen pH-Wert in Form eines Kombinationsregimes von Maßnahmen für die Bukleinsäureausschüttung aus der Biomasse zeigt folgendes Untersuchungsbild» Hierbei wurde . eine durcS Aufrahmung erhaltene aufkonzentrierte Biomassesuspension durch die Behandlung im Temperaturbereich 313 K bis 363 K in einem Umlaufthermostaten beeinflußt. Durch Rühren wurde ein Temperaturausgleich und eine Homogenität der Versuchssuspension herbeigeführt. Das Aufgerahmte wurde vorher mit 0,6 g Propylenoxidethylenozidaddukt/kg Aufgerahmtes in Form einer 10 %igen Lösung versetzt* Durch weitgehend gleiche Yersuchsbedingungen wurden Fremdeinflüsse reduziert. Die Phasenzusammensetzung des Aufgerahmten betrug 2,34 Ma*-% Hefetrockensubstanz, 19,87 Ma*-% Erdöldestillat und 77,79 Ma*-% Proseßwasser.

Bach der Behandlung der Suspension in Abhängigkeit von der Temperatur und Zeit wurden die Prozeßwässer durch Zentrifugation der Suspension bei 15 000 U/min und Filtration über eine G S-^ritte zur Abtrennung der Biomasse gewonnen· In den Prozeßwässern wurde der Hukleinsäuregehalt UY-spektralphotometrisch bestimmt. Die Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle wiedergegeben.

Im Vergleich sind die lukleinsäurewerte von demselben Produkt aus dem technischen Versuch aufgeführt.

Tabelle: Sukleinsäuregehalt in Abhängigkeit von der Behandlungstemperatur und -zeit von Biomassesuspension

Probebezeichnung	Behandlungs bedingungen	Sukleinsäure- gehalt (mg Hukleinsäure/ ' 1 Prozeßwasser)	pH-Wert
Prozeßwasser
aus Aufrahmung		260	4,2
Prozeßwasser aus
Aufkonzentrierung
durch Wärme/Zeit-
Behandlung		895	5,8
Aufgerahmte Bio	30 min = t
massesuspension	pH-Wert: 5,4
	bis 5,8
	313 E	' 410	4,6
	323 K	462	4,8
	333 K	775	5,2
	343 K	826	-5,6
	353 K	889	5,8
	363 K	898	5,9
	353K=T

10 min	821
20 min	905
30 min	912
40 min	914

Probebezeichnung Behandlungs- Bukleinsäuregehalt pH-Wert

bedingungen (mg lukleinsäure/

1 Prozeßwasser)

Aus den Versuchsergebnissen ist die eindeutige Abhängigkeit der ITukleinsäureausschüttung aus der Biomasse in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit unter den Bedingungen einsr den Permeabilisierungsprozeß unterstützenden Tensidzugabe vor der Erwärmung und einer pH-Werterhöhung des Mediums sichtbar«

Beispiel 3

Bei Anwendung der im Beispiel 1 angegebenen prinzipiellen Fermentations-, Aufarbeitongs- und Reinigungsbedingungen unter den" Bedingungen der Maßstabsvergrößerung bei Butzung eines zweitägigen .Produktionstauchstrahlf ermentors mit einem Bruttovolumen von 2200 nr sowie einer Erwärmungstemperatur von 353 K bis 358 K der durch eine Aufrahmung vorentwässerten Biomassesuspension über einen Zeitraum von 25 Minuten, werden folgende Uukleinsäurewerte in den abgetrennten Prozeßwässern erhalten:

Prozeßwasser nach der Aufrahmung 215 mg lukleindes Vierphasengemisches säure/1 Prozeß-

wasser

Prozeßwasser nach der Erwär- 910 mg Uukleinmung der Biomassesuspension säure/1 Prozeßwasser

Das erzeugte Endprodukt weist folgende charakteristische Keimzahlen auf: .

Charakteristische Kennzahlen der Biomasse, bezogen auf Trockenprodukt (Ma·-9S)

Aussehen: beige bis hellbraun Rohproteingehalt: 62,6 Besatz: ohne . Lysingehalt: 7,4

Gefüge: nicht klumpig Methioningehalt: 1,4 Geruch: arteigen Bukleinsäuregehalt:6,7

Phosphorgehalt: 1,1 . biologische Wer

tigkeit: 87

Claims (1)

1. ErfindungsansOruch

   Verfahren zur Gewinnung von Biomasse mit vermindertem Fukleinsäuregehalt, die durch Züchtung von Hefen auf n-alkanhaltigen Kohlenwasserstoffgemischen, insbesondere Erdöldestillaten bzw» -raxfinaten erhalten wird und die durch einen Aufrahnprozeß vorentwässert wurde, dadurch gekennzeichnet, daß die vorentwässerte Biomassesuspension mit einem nichtionogenem Tensid vom Typ PropylenoxLd Ethylenoxid - Addukt in einer Menge von 0,2 bis 1,2 g/fej Biomassesuspension versetzt, auf 338 K bis 363 K erwärmt und diese Temperatur 5 bis 40 Minuten gehalten wird, wobei in bekannter Weise in einem pH-Bereich von 5 - δ gearbeitet wird.