DD225438A1 - Verfahren zur kontinuierlichen zuechtung von backhefe - Google Patents

Abstract

Ziel der Erfindung ist es, eine Backhefe mit gleichbleibend hoher Triebkraft in einem kontinuierlichen Fermentationsprozess zu erhalten. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Prozess der Backhefeherstellung durch Verwendung eines einstufigen Chemostatenprozesses mit Substratlimitation zu realisieren. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass man in einem einzigen Fermentor mit zeitlich invarianter Zufuehrung von Substrat und Naehrstoffen sowie Abfuehrung der Reaktionsprodukte den Anteil der Gaerung und des aeroben Wachstums der Hefe durch den Sauerstoffuebergang in das Fermentationsmedium derart regelt, dass eine vorgegebene Ethanolbildungsrate die Zufuehrung von Luft in den Fermentor und/oder die Ruehrerdrehzahl steuert.

Description

Titel der Erfindung;

Kontinuierliche Züchtung von Backhefe

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Backhefe und wird zweckmäßigerweise in der Backhefeindustrie verwendet. Sie ist in die IPK C 12 Ή einzuordnen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die in der Praxis angewandten Verfahren zur Züchtung von Backhefe sind ausnahmslos diskontinuierlich betriebene Mehrstufenprozesse. Zweck dieser Verfahren ist eine möglichst rasche Zellvermehrung, welche jedoch nur unter aeroben Bedingungen, also der Zuführung einer ausreichenden Luftmenge bzw. einer genügenden Sauerstoffübergangsrate in das ?ermentationsmedium erreicht werden kann.

Als wesentliches Qualitätsmerkmal einer Backhefe muß ihre Gärfähigkeit angesehen werden, d. h. ihre Fähigkeit, unter Luftabschluß in maltose- und aaccbarosehaltigen Teigen zu gären und diese dadurch zu treiben. Diese Gärfähigkeit verringert sich mit steigender Belüftung während des Wachstums. Um diesen an sich gegensätzlichen Anforderungen zu genügen, wird die Hefe in mehreren diskontinuierlichen Züchtungsstufen mit steigender Belüftung in einer Anzahl hintereinandergeschalteter Reaktionsbehälter über 2 bis 6 Verdopplungsstufen zum Wachsen gebracht.

Wesentlich für die Ökonomie eines Backhefeprozesses ist die

Zellausbeate hinsichtlich der als Substrat verwendeten Melasse, wobei die Zellen die in der Melasse enthaltenen Zucker zum Wachstum benötigen. Die Ausbeute kann verbessert werden, wenn man die Zuckermenge im Permentor möglichst gering hält, da mit steigender Zuckerkonzentration auch bei starker Belüftung größere Mengen des an sich unerwünschten Nebenproduktes Ethanol gebildet werden (sogenannter Belüftungssprit). Die erwähnten Anforderungen werden durch Zuführung der Melasse nach einem vorgegebenen Schema erreicht, wobei die Zulaufmenge mit steigender Backbefekonzentration bei steigender Prozeßdauer vergrößert wird. Eine andere Möglichkeit ist die Steuerung der Melassezuführung nach einem der Zuckerkonzentration proportionalen Parameter. Dies kann durch eine Messung der Ethanolkonzentration im Fermentationsmedium (DB-OS-2109896, Biotecbnol. Bioeng. 23 (1981), 2069), im Fermentorabgas (AT-PS-208802) oder durch Berechnung des Respirationskoeffizienten aus dem Fermentorabgas (Biotechnol. Bioeng. 21 (1979), 975) erfolgen

Alle diese Verfahren werden unter dem Begriff der sogenannten Zulaufverfahren zusammengefaßt und weisen die charakteristischen Nachteile diakontinuierlicher Fermentationen auf, selbst wenn sie durch aufwendige Programmsteuerungen realisiert werden. Dies sind z.B. die geringe Belastung der Reaktorvolumina, eine ungleichmäßige Belastung der Aufarbeitungsstufen, eine ungleichmäßige Snergiebelastung des Gesamtbetriebes, geringe Arbeitsproduktivitäten durch den arbeitsintensiven Betrieb der Anlage (ständiges Befüllen, entleeren und Reinigen der Reaktoren), sowie höhere Investkosten durch den erforderlichen Bau mehrerer Fermentoren.

Die Kultivierungsbedingungen ändern sich mit zunehmender Organismenzahl ständig, so daß eine Automatisierung des Prozeßablaufes aufwendig ist. Somit ist man bei der Backhefeherstellung ebenso wie in anderen Zweigen der Biotechndßgie bestrebt, zu kontinuierlich arbeitenden Verfahren überzugehen.

Kontinuierliche Fermentationsprozesse zur Herstellung von Backhefe werden ebenfalls beschrieben. Der erste Vorschlag stammt bereits aus dem Jahr 1877 (D.R.P. 10135). Andere Vorschläge

sind neueren Datums (Krasny promysl 1,76 (1955) und 6,34 (1959), D.P. 526 (195D, Oe-P-Anmeldung 5285/58 (1960). Allen diesen Prozessen ist gemeinsam, daß mit mehreren hinter— einandergeschalteten Permentoren diskontinuierlich fermentiert wird und eine Kontinuität des Gesamtprozesses durch Kombination der diskontinuierlichen Reaktionsstufen realisiert wird. Somit besitzen diese Verfahren ebenfalls die meisten der erwähnten Nachteile diskontinuierlicher Prozesse. Sin bereits vorgeschlagenes Verfahren (WP G 12 U/257977) beschreibt einen echten kontinuierlichen Backhefeprozeß mit nur einem Permentor, in dem die Zuführung des Substrates und der Hährstoffe über die Änderung der Ethanolkonzentration im Fermentationsmedium geregelt wird und ein weiteres Medium wie z.B. Frischwasser dem Permentor geregelt derart zugeführt wird, daß die kontinuierlich gemessene Biomassekonzentration konstant bleibt, wobei gleichzeitig eine Ablaufregelung die Fermentorfüllmasse konstant hält. Somit ist dieser Prozeß jedoch kein Chemostatenprozeß mit zeitlich invarianten Zu- und Abläufen.

Ein weiteres Verfahren mit nur einem Permentor wurde ebenfalls beschrieben (US-P 2822319). Dieses nach dem Chemostatenprinzip arbeitende Verfahren, bei dem der wachsenden Biomasse in einem Permentor frisches Substrat zugeführt, und mit gleicher Rate Fermentationsmedium entnommen wird, ist für die kontinuierliehe Futterhefeherstellung allgemein üblich. Es kann nicht für die Backhefeherstellung Verwendung finden, da das wichtigste Kriterium einer Backhefe, die Gärfähigkeit, verlorengeht, und ebenfalls nur eine einfache Futterhefe erhalten wird,

Ziel der Erfindung;

Ziel der Erfindung ist es, eine Backhefe mit definierter und gleichbleibender hoher Triebkraft in einem speziellen Chemostatenprozeß mit zeitlich invariantem Zulauf der JJahrstoffe in den Permentor sowie kontinuierlichem Ablauf der Reaktionsprodukte zu erzeugen.

Wesen der Erfindung

Die Erfindung stellt aich die Aufgabe, den technischen Prozeß der Backhefeherstellung zu vereinfachen und die Herstellung einer Backhefe mit hohen, durch Regelgrößen einstellbaren Gäreigenschaften bei Verwendung eines einstufigen Chemostatenprozesses mit zeitlich invarianter Substrat- und Hahrlö— sungszuführung sowie kontinuierlichem Fermentorablauf zu realisieren

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man in einem einzigen kontinuierlich betriebenen Permentor mit konstanter Verweilzeit den Sauerstofftibergang in das Fermentationsmedium mit der wachsenden Backhefe über die Änderung einer gemessenen Stoffwechselaktivität regelt. Während des Wachstums von Backhefe entstehen durch Verwertung der in der Melasse enthaltenen Zucker flüchtige Stoffe, in erster Linie Ethanol, welche in einem kontinuierlich betriebenen Prozeß oxidativ verwertet werden. Es hat sich gezeigt, daß eine vorgegebene Ethanolbildungsrate und damit eine partielle Vergärung der in der Melasse enthaltenen Zucker wesent— lieh die Triebeigenschaften der Backhefe in zuckerhaltigen Teigen und damit ihre Qualität bestimmt. Überraschenderweise läßt sich diese Erkenntnis für die Führung eines einstufigen kontinuierlichen Permentationsprozesses mit der für einen Cfaemostaten charakteristischen Limitation des Biomassewachstums durch den Substratzulauf in den Permentor zur Erzeugung von Backhefe einsetzen, wenn man die Ethanolbildungsrate und damit das die Triebkraft bestimmende Gärverhalten der Hefe durch die Übergangsgeschwindigkeit des Sauerstoffs in das Permentationsmedium regelt.

Die Regelung des Sauerstoffüberganges erfolgt über eine Regelung der Lüftmengenzuführung in den Permentor oder/und eine Regelung der Rührerdrehzahl derart, daß diese durch die aktuelle Ethanolkonzentration im Permentationsmedium gesteuert wird. Dazu wird die aktuelle Ethanolkonzentration mit einer geeigneten Meßvorrichtung, die z.B. einen Flammenionisationsdetektor, einen Gassensor oder das Prinzip der katalytischen Verbrennung zum Nachweis benutzt, kontinuierlich erfaßt.

Bei Unterschreitting eines vorgegebenen Sollwertes erfolgt die Ansteuerung eines Stellgliedes für die Luftzuführung, z.B. eines Motorventils oder eines Gebläses, durch welches die Luftzufuhr in den Permentor gedrosselt wird. Auf gleiche Weise kann die Rührerdrehzahl des Permentors verringert werden. Durch die Wirkung des Pasteur-Effektes vergrößert sich entsprechend der Verringerung der Sauerstoff-tfbergangsgeschwindigkeit das partielle Gärverhalten der wachsenden Backhefe. Dabei werden die durch die Melasse zugeführten Zucker zu einem größeren Anteil solange vergoren, bis die vorgegebene Ethanolkonzentration wieder erreicht ist, worauf durch Ansteuerung der vorstehend genannten, die SäuerstoffÜbergangsgeschwindigkeit bestimmenden technischen Systeme der Anteil der Gärung wieder verringert wird.

Dieser kontinuierliche Prozeß kann bei hinreichender Stabilität des technischen Systems über einen beliebigen Zeitraum aufrechterhalten werden. Als erwünschter Ifebeneffekt hat sich ergeben, daß in einem derartigen kontinuierlichen Verfahren sich eine geringe Sauerstoffkonzentration im Permentationsmedium von etwa 1 bis 4 % der Sättigungskonzentration einstellt, wodurch ein nennenswertes Austreiben von Ethanol aus dem Medium vermieden wird und der Snergieeintrag in den Permentor gering gebalten werden kann.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

400 g einer 3ackhefe (bezogen auf Trockensubstanz) werden in 5 1 destilliertem Wasser mit einem pH von 4.0 suspendiert. 2s werden 20 ml Ethanol und 100 ml einer Nährlösung der unten angegebenen Zusammensetzung hinzugefügt. Diese Mischung wird in einen vorher sterilisierten mit regelbarer Rührung versehenen Permentor mit einem Bruttovolumen von 25 1 eingefüllt und solange weiteres destilliertes Wasser mit einem pH von 4,0 hinzugegeben, bis die Permentorfüllmasse 16 kg beträgt. In einen Hährlösungsbehälter wird eine sterilisierte, auf einen pH von 3.5 gebrachte Nährlösung folgender Zusammensetzung bereitgestellt: 120 g/l heißgeklärte Rübenzuckermelasse, 7 g/l )₂30₄, 2.1 g/l (Ißi₄)₂HPO₄, 3.5 g/l Hefeextrakt.

Bei einem pH-Wert von 4.0 und einer Temperatur von 30⁰C im Permentor wird eine Anfangs-Rührerdrefazahl von etwa 900 U/min und ein Luftstrom in den Permentor von etwa 300 l/h eingestellt. Der pH-Wert des Permentationsmediums wird durch die geregelte Zuführung von 10 tigern Ammoniakwasser konstant gehalten.

Das einsetzende Biomassewachstum ist an einem Anstieg der Ethanolkonzentration erkennbar. Diese wird kontinuierlich mit einem Alkoholbestimmungsgerät gemessen, bei dem das Ethanol . aus der flüssigen Phase abgetrennt, und mit einem Flammenionisationsdetektor nachgewiesen wird. Sobald das Anfangs zugeführte Substrat verbraucht ist, erkennbar an einer Abnahme der Ethanolkonzentration, wird die Fährstoffdosierung in Betrieb genommen« Es wird eine Zulaufrate in den Permentor von 1.6 l/h eingestellt und die durch die aktuelle Ethanolkonzentration gesteuerte Drehzahlregelung des Rührers in Betrieb genommen. Die Drehzahlregelung hält den Wert der Ethanolkonzentration im Permentationsmedium auf einen Sollwert von 1 g/l. Bei Überschreitung dieses Sollwertes vergrößert sie sich und verringert sich dementsprechend bei Unterschreiten dieser Größe.

Die Masse des Permentorinhaltes wird über eine Bodendruckregelung auf 16 kg gehalten.

Es stellt sich eine mittlere Bioma^sekonzentration von 25 g/kg Permentorinhalt (bezogen auf Trockensubstanz) ein, wobei die Konzentration des im Permentationsmedium gelösten Sauerstoffs 2 bis 4 % der Sättigungskonzentration beträgt. Es ergibt sich ein spezifischer Ethanolbildungskoeffizient von 0.04 g Ethanol/g Hefetrockensubstanz, wobei sich eine spezifische Verbrauchskennziffer der in der Melasse enthaltenen reduzierenden Substanzen (vorwiegend Zucker) von 0.199 g reduzierende Substanz pro g Hefetrockensubstanz bestimmt.

Uach dem Permentometertest (TGL 25111/03) ergibt sich bei täglicher Messung eine mittlere Triebkraft der geernteten Hefen von 67.6 ml C0_o/110 min.

Beispiel 2

In einem Permentor werden Wasser, nährlösung und Impfmaterial gemäß Beispiel 1 vorgelegt und 5 ml Ethanol zugegeben. Auf gleiche Weise wie vorstehend beschrieben wird die Hefe zum Wachsen gebracht und die Ethanolkonzentration gemessen.

ETach Beginn des Absinkens der Ethanolkonzentration durch die Aufzehrung der nährlösung wird, wie im Beispiel 1 beschrieben, die !Jährst off dosierung mit einer Zulauf rate von 1.6 l/h in Betrieb genommen. Ea wird ein Sollwert der aktuellan Ethanolkonzentration von 0.25 g/l eingestellt und dieser Wert durch Verminderung oder Vergrößerung der luftzufuhr in den Permentor durch Ansteuerung eines Stellventils konstant gehalten. Es stellt sich eine mittlere Biomassekonzentration von 27.4 g/kg Permentorinhalt (Bezogen auf Trockensubstanz) ein, wobei die Konzentration des im Fermentationsmediums gelösten Sauerstoffs 2 bis 4 % der Sättigungskonzentration beträgt. Es ergibt sich ein spezifischer Ethanolbildungskoeffizient von 0.009 g Ethanol/g Hefetrockensubstanz und eine spezifische Verbrauchskennziffer von 0.191 g reduzierende Substanz pro g Hefetrockensubstanz.

HTach dem Permentometertest ergibt sich eine mittlere Triebkraft der geernteten Hefen von 74.6 ml C0₀/110 min.

Claims (1)

1. Erfindung3anaprucb

   Verfahren zur kontinuierlichen Züchtung von Backhefe mit hoher Triebkraft in einem Chemostatenprozeß mit Substratlimitation, dadurch gekennzeichnet, daß die Ethanolkonzentration im Permentationsmedium als Regelgröße für den Sauerstoffübergang in das Permentationsmedium verwendet wird, wobei dies durch Regelung der dem Prozeß zugeführten Luftmenge und/oder der Rührerdrehzahl erfolgt.