DD220045A1 - Verfahren zur kontinuierlichen zuechtung von backhefe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die kontinuierliche Herstellung von Backhefe. Ziel der Erfindung ist es, eine Backhefe mit definierter und gleichbleibender hoher Triebkraft in einem kontinuierlichen Fermentationsprozess zu erhalten. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Prozess der Backhefeherstellung bei Verwendung einer einstufigen kontinuierlich zu betreibenden Fermentation, welche weder ein Chemostaten noch ein Turbidostadenprozess ist, zu realisieren. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass man in einem einzigen Fermentor die Zufuehrung des Substrates und der Naehrstoffe ueber die Aenderung einer gemessenen Stoffwechselaktivitaet regelt und durch kontinuierliche Biomassebestimmungen ein weiteres Medium wie z. B. Frischwasser geregelt derart dem Fermentor zufuehrt, dass die Biomassekonzentration im Fermentor konstant bleibt.

Description

, ' Titel der Erfindung '.· -

Verfahren zur kontinuierlichen Züchtung τοη Backhefe

Anwendungsgebiet .

Die Erfindung "betrifft die Herstellung von Backhefe und wird zweckmäßigerweise in der Backhefeindustrie verwendet· . . Sie ist in die IPZ C 12 W einzuordnen«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die in der Praxis angewendete Züchtung von Backhefe/ ,10 erfolgt, weltweit diskontinuierlich in Mehrstufenprozessen. Ziel aller Verfahren ist die Erreichung maximaler Hefeausbeuten, welche unter aeroben Bedingungen realisiert werden können«' Gleichzeitig soll jedoch das Gär— vermögen der Hefen, d,h· ihre Fähigkeit, anaerob in Teigen mit Saccharose und Maltosegehalt zu wachsen, erhalten bleiben. Um diesen an. sich gegensätzlichen. An-

^! forderungen zu genügen, wird die Hefe in mehreren.diskontinuierlichen Züchtungsstufen mit steigender Belüftung in einer Anzahl- hintereinandergesehalteter Reaktionsbehälter über 2-6 Verdopplungsstufen zum Wachsen gebracht. ^ ' :

Ein Zellwachstum mit guten Ausbeuten kann erreicht werden, wenn man die Melassekonzentration im Fermentor mögliohst gering hält, damit steigenden Konzentrationen auch bei starker Belüftung größere Mengen Ethanol aus . dem Substrat gebildet werden (sog« Crabtree—Effekt)«

Dies wird entweder, durch Zuführung der Melasse nach einem vorgegebenen Schema erreicht, oder durch Steuerung der '. Melassedosierung nach einem der Zuckerkonzenträtion proportionalen Wert. Dies ist die Ethano!konzentration im Fermentationsmedium (DE-OS 2109896) oder im Fermentor— abgas (AT-PS 208802). Alle diese Verfahren werden unter dem Begriff der sog. Zulaufverfahren zusammengefaßt und weisen alle Nachteile diskontinuierlicher Fermentationen auf. Dies sind z.S» die geringe-Auslastung der Reaktor— räume, eine ungleichmäßige Belastung der Aufarbeitungsstufen, ungleichmäßige Energiebelastung ,des.Gesamtbetriebest geringe Arbeitsproduktivitäten durch häufiges ; Befallen und Entleeren der Reaktorstufen, kohe Investi— tionskosten durch den Bau mehrerer Fermentoren sowie

15.erheblicher Platzbedarf« Die. Kulturbedingungen ändern , sich mit zunehmender Orgänismenaahl ständigj. die Mög-* lichkeiten einer, automatischen'Überwachung, und Steuerung

• ' sind gering oder nur.mit erheblichem Aufwand realisier—

Kontinuierliche Fermentationsprozesse zur Herstellung von Backhefe werden ebenfalls beschrieben. Der erste Vorschlag stammt bereits aus dem , Jakr. 1877 '(D'.R· P*1O135) Andere Yorschläge. sind neueren Datums (Krasny' promysl, 1.76(1955) und 6,34(1959),D.P. 526(1951), Oe-P_e-Anmeldung A 5285/58(1960).

Allen diesen Prozessen ist gemeinsam, daß mit mehreren hintereinandergeschalteten Fermentoren diskontinuierlich fermentiert wird, und eine Kontinuität des Gesamt—

. . ' prozesses durch geschiokte. Kombination der diskontinu— ierlichen H.eaktionsstufen realisiert wird, ' Somit besitzen auch diese Verfahren die meisten der erwähnten Nachteile diskontinuierlicher Prozesse.

Ein Verfahren mit nur einem Fermentor und kontinuierlichem Zu— und Ablauf wurde ebenfalls beschrieben (US—PS 28223iS)· , .. ',

Dieses Sinstufenverfahren arbeitet nach, dem Ch.emosta.ten-' > .. prinzip, "bei dem der Kultur in einem Ferment or mit konstanter Zuflußrate frisch.es, Substrat zugeführt, und mit

gleicher Rate Fermentationsmedium entnommen wird'· \ 5 Dieses Verfahren wird technisch nicht realisiert« We- ' . sentlichster Nachteil einer·derartigen Prozeßführung

ist, daß sich der physiologische Zustand der Hefen der-. art verändert, daß die wesentlichste geforderte Eigen— ·..'. schaft, die Triebkraft, verloren geht und nur eine nor- .'

male Futterhefe gewonnen wird* ·> ·. .

Somit kann man entsprechend dem gegenwärtigen Stand der ~v Technik Fermentationsprozesse zur Erzeugung von Backhefe'. ~"'' . mit' Gäreigenschaften in Teigen nur diskontinuierlich nach

dem Zulaufverfahren oder pseudokontinuierlich durch Hin— *', ·. 15 tereinanderschalten mehrerer.diskontinuierlich arbeit ender Fermentoren führen·

Ziel der Erfindung ^:' <

. Ziel der Erfindung ist.es, eine Backhefe mit definierter '... ' u^cl gleichbleibender hoher, Triebkraft in einem kontinuv 20 ierlichen Fermentationsprozeß zu erzeugen. '

Wesen,der Erfindung . ^: .

>' :... . ' ' . . . ";' '

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den technischen

Prozeß der Backhefeherstellung zu vereinfachen, sowie die Produktion einer Backhefe mit definierten durch Re-.25 gelparameter einstellbarer Gäreigenschaften in Teigen bei Verwendung einer einstufigen kontinuierlich zu betreibenden Fermentation, welche weder ein Chemostaten- noch '. : ein Turbidostadenprozeß ist, zu realisieren·

Srfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man in einem einzigen Fermentor die Zuführung des Sub— strates und der Nährstoffe über die Änderung einer gemessenen Stoffwechselaktivität regelt und durch konti—

nuierliche Biomassebestimmungenein weiteres Medium-wie ζ·Β* Frischwasser oder nachAbtrennung von Biomasse ver— bleibendes Fermentationsmedium geregelt derart dem .Ferment or zuführt, daß die Biomassekonzentration im Fennen— tor konstant bleibt* ·

Dabei bewirkt eine Fermentorablaufregelung, welche dem Raaktionsgefäß einen solchen Yolumenstrom entnimmt, wie ;' .er gleichzeitig als Mährlösung und/oder Wasser zufließt, eine Konstanz ''des FennentationsYolumens bzw. der Fermentationsmasse, so daß daraus ein kontinuierlich arbeitender Fermentationsprozeß resultiert, dessen jeweilige Terdünnungsrate bzw.'Verweilzeit durch die Stoffwechselak— tivität^der wachsenden Hefe bestimmt wird,

Während des Wachstums von Backhefe entstehen gleichzeitig nach dem sogenannten Orabtree—Effekt flüchtige Stoffe, in erster linie. Sthanol. Es hat sich nun .gezeigt, daß eine definierte Sthanolkonzentration im Fermentor und. damit ^;bei konstant gehaltener Biomassekonzentration gleichzeitig konstante Et hano Ib ildungsrate wesentlich die Trieb— eigenschaft.en ·το.η Backhefe und damit die Backhefequalität bestimmt. Überraschenderweise läßt sich diese Erkenntnis

/ für einen kontinuierlichen einstufigen Prozeß.für die. Er— . zeugung von Backhefe ausnutzen, welcher durch das Hefe—.

wachstum und eine mit der Triebkraft verbundenen phy— siologischen Größe wie der'EthanoIbildungsrate gesteuert wird« , ' ,. . . ^! ' . ' -.. ' ·

• ' . ι '

.Die Zuführung des Substrates, meist Hüben- oder.Zucker— rohrmelasse erfolgt über eine Dosierpumpe derart, daß dieseidurch die aktuelle Ethanolkonzentration im Fermentationsmedium gesteuert wird* Dazu wird die aktuelle Ethanolkonzentration mit einer geeigneten Meßvorrichtung, z.B., einem Flammenionisationsdetektor oder einem Gassensor kontinuierlich erfaßt. . ^ι

Bei Unterschreitung eines vorgegebenen Sollwertes erfolgt die Ansteuerung der Dosierpumpe, welche solange Melasse und Nährstoffe in den Fermentor dosiert, bis durch die vorzugsweise den Zucker verbrauchenden und dabei auoh Ethanol produzierenden wachsenden Mikroorganismen die

vorgegebene Ethanolkonzentration wieder erreicht, ist. Nach Verbrauch der Kohlehydrate verwertet die Backhefe . den gebildeten,Ethanol solange, bis nach Untersehreitung des Sollwertes erneut Melasse in das System eingetragen

fO wird» Als 'erwünschter Nebeneffekt wird damit' die Ausbeute wesentlich verbessert.

Das Wachstum bewirkt einen Anstieg der Biomassekonzentration, welche mit einer kontinuierlich arbeitenden Meßvorrichtung, z.B. einem Streulichtphotometer, erfaßt wird» Bei Überschreitung eines vorgegebenen .Sollwertes erfolgt .die Ansteuerung einer Dosierpumpe, 'welche solange Frischwasser oder nach Separation von Biomasse verbleibendes Rückführwasser in den Fermentor dosiert, bis dieser wieder erreicht ist, wobei gleichzeitig eine-der Nährlö- sungs- bzw. Wasserdosierung äquivalente Menge Fermentor-' ablauf über eine Füllstandsregelung ,aus dem Prozeß ent- . fernt wird« \ . .

Dieser kontinuierliche, jedoch nichtstationäre Prozeß kann bei hinreichender Sterilität des technischen Systems über^:einen beliebigen Zeitraum aufrechterhalten werden* Als erwünschter Hebeneffekt hat sich'weiterhin gezeigt, daß in einem derartigen kontinuierlichen Fermentations— verfahren der Säuerstoffpartialdruck niedrig gehalten werden kann. Der Prozeß arbeitet wirkungsvoll auch bei Konzentrationen des GelöstSauerstoffs im Fermentationsmedium von 1-3 ppm»

Dadurch wird ein nennenswertes Austreiben von Ethanol' ·. aus dem Medium vermieden, wobei gleichzeitig der durch Gebläse oder Umwälzpumpen bedingte Energiebedarf gering

gehalten werden kann, . . '·. .

Ausführungsbeispiele

Beispiel 1 " .' ^; ' . . · . ' .. ' .';;. ".· ' "

In einem mit Rührung versehenen Fermentor mit einem Brut-¹ tovolumen von 15 1, dessen Füllmasse 10, kg "beträgt, werden 10 1 destilliertes. Wasser und 20.ml einer heißgeklär-.•-ten.'Melasse mit einem Gehalt von 200 g/l Zucker, 12 g/l ' Ammoniumsulfat, 3,5 g/l Diammoniumhydrogenphosphat und 6 g/l Hefeexträkt vorgelegt* Bei einem-pH—Wert von 4,0 . .' und einer Temperatur von 30 ⁰C wird.mit 30 g/l Naßhefe. 10, (27 foTrockengehalt) angeimpft und unter Rührung soviel . . Inft zugeführt, daß der, Gelöst säuerst off gehalt im Fermen— ' tationsmedium im Vorlauf von 2 h auf einen Wert von -38 ppm abfällt. - . ,. ' : . . -^: '/ .. ' . , ·. > : Das einsetzende Biomassewaohstum ist an einem- Anstieg der Ethanol- und Biomass.eko'naentration erkennbar. .Die. Ethanol-»· konzentration,wird kontinuierlich mit einem,Alkoholbestimmungsgerät bestimmt, bei dem der Alkohol aus der flüssigen Phase abgetrennt und,mit einem Flammenionisationsdetektor _Λ nachgewiesen, wird. Die -Biomassekonzentration wird mit ei-' 2.em Streulioht^photometer gemessen. Wenn kein Anstieg der Ethanolkbnzentration mehr erkennbar ist, wird die Nährst off dosierung in Betrieb genommen. Ist der Wert der Etha- ; nolkonzentration im Fermentor kleiner als 2 g/l, dosiert • eine Pumpe Nährlösung in den Fermentor. Sobald' die ange— gebene Ethanolkonzentration erreicht ist, schaltet'sich die Dosierung ab, um beim Unterschreiten dieses Wertes wieder anzulaufen. Dabei steigt die Biomassekonzentration , 'im Fermentor an., ' ; . , ' .-· .·'·. ·. Über eine Bodendruckmessung im Fermentor, welche mit einem Fermentorablaufventil über eine Reg.eiungseinriohtung ^: gekoppelt ist, wird gleichzeitig.die Füllmasse im Fermentor konstant auf 10 kg gehalten, .',·,. , ''.·

Nachdem die Biomassekonzentration im Fermentor einen Wert yon 20 g/X Hefetrockensubstanz überschritten bat, wird . -" eine weitere Pumpe angesteuert, welche solange Frischwasser in den. Ferment or" dosiert, bis dieser Sollwert wieder erreicht ist. . _x / ^:.

Dieser Prozeß wird nach Erreichen der Sollwertkonzentration der .Hef etrockensubstanz über einen Zeitraum von 168 h aufrechterhalten. In diesem Zeitraum gewinnt man 8.03 kg Hefetrockenmasse

Nach dem Fermentometertest (TGL 25111/03) ergibt sich eine Triebkraft der geernteten Hefe von 76 ml GO₀ZiIO min.

Beispiel 2 . ' ' . · ,

'. ) '''. ^; ' . ' ^: In einem Fermentor werden Wasser, Nährlösung.und LTipfmat erial. gemäi3 Beispiel 1 vorgelegt und'die Hef e zum Wach— sen gebracht. Dabei wird durch die Steuerung der Substratzuführung gemäß Beispiel 1 eine,Sthanolkonzentration von 2 g/l im Fennentationsmedium.aufrechterhalten. , , . Nach Anstieg der Hefekonzentration im Fermentor auf 40 g/1 Trockensubstanz erfolgt die duroh diest Konzentration geregelte Zuführung'eines Mediums, welches zu 50 % aus Wasser und 50 % aus Fugat besteht. Das Fugat wird durch Ab-. trennung der Biomasse aus dem. Fermentorablauf mittels Zen— . trifugation gewonnen» . ' «

Die Füllmasse des Fermentors wird-in der in Beispiel 1 be— schriebenen Weise konstant gehalten, die Konzentration des Gelöst-Sauerstoffs im Fermentationsnedium wird durch Regelung der Luftzufuhr auf einen Wert von 2 ppm eingestellt« Während der kontinuierlichen ProzelBphase über einen Zeitraum von 4 Tagen wird eine Menge von 6,14 kg Hefetrock^n—

30'masse geerntet.

' -''. Nach dem Fermentometertest ergibt sich eine durohschnitt-. liehe Triebkraft von 74 ml C0₂/110 min«

Claims (2)

1. ^: · . ' ""' ' ' ' ⁸

   BrfindungsansprUch ' . .

   1. Verfahren zur kontinuierlichen Züchtung "von Backhefe mit hoher Triebkraft ₃ dadurch gekennzeichnet,daß die aktuelle Biomassekonzentration im Fermentor als Steuer- _ größe für den Zulauf von Frischwasser und/oder B.ückführwasser, und die aktuelle Ethanolkonzentration im. Fermentor als Steuergröße für die Substrat-und;Nährsalzdosierung verwendet werden*
2. 2. Verfahren nadh Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration an G-elöst-Sauerstoff im Fermentationsme-

   dium während des kontinuierlichen Prozesses 1 - 7 ppm, . · vorzugsweise 2 -. 5 ppm. betragen kann«