DD240026A1 - Verfahren zur gewinnung proteinreicher hefebiomasse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein biotechnologisches Verfahren zur Kultivierung von Hefen durch aerobe kontinuierliche Fermentation auf der Basis einer wasserloeslichen, sauerstoffhaltigen Kohlenstoffquelle in Gegenwart einer waessrigen mineralischen Naehrsalzloesung. Die Erfindung kann zur Erzeugung von proteinreichen Futtermitteln fuer die Tierernaehrung genutzt werden. Erfindungsgemaess wird als wasserloesliche, sauerstoffhaltige Kohlenstoffquelle Acetaldehyd allein oder im Gemisch mit anderen wasserloeslichen, sauerstoffhaltigen Substanzen, wie ein- oder mehrwertige Alkohole, Carbonsaeuren oder Kohlenhydrate eingesetzt. Die Kultivierung erfolgt bei einem p H-Wert zwischen 3 und 6, bei einer Temperatur von 25 bis 37C und einem Druck des sauerstoffhaltigen Gases von 100 bis 1 000 KPa oder der Anwendung von sauerstoffangereicherter Luft bis zu 80 Vol.-% und einer durch geregelten Dosierung und Durchmischung aktuellen Konzentration der Kohlenstoffquelle unter 250 mg/kg und einer Geloestsauerstoffkonzentration im Fermentationsmedium 2 kg/mg. Die nach dem erfindungsgemaessen Verfahren erhaltene Hefebiomasse weist einen Rohproteingehalt von 62 bis 66% in der Trockensubstanz auf.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein biotechnologisches Verfahren zur Kultivierung von Hefen durch aerobe kontinuierliche Fermentation auf der Basis einer wasserlöslichen sauerstoffhaltigen Kohlenstoffquelle in Gegenwart einer wäßrigen mineralischen Nährsalzlösung. Die Erfindung kann zur Erzeugung von proteinreichen Futtermitteln für die Tierernährung genutzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Kultivierung von Futterhefen auch im technischen Maßstab auf der Basis wasserlöslicher sauerstoffhaltiger C-Quellen wie Zucker, niedere Alkohole und Fettsäuren stellt eine bekannte Praxis dar.

Bei der Verhefung von Rübenzucker, Hexosen und Pentosen der Sulfitablauge sowie der Glukose werden Rohproteingehalte von 52-55% erreicht/Mateless, R. u. Tannenbaum, S.; „Single Cell Protein", The MiT Press; S. 238).

Für auf Glukose kultivierte Hefe des Stammes Candida utilis geben Alroy und Tannenbaum einen Rohproteingehalt von 53,6 % an [Alroy, Y. U.Tannenbaum, S.; Biotechnol. Bioengeng. Vo. X 239 - 56 (1973)].

Die kontinuierliche Fermentation von Ethanol zu Futterhefe ergab einen maximalen Rohproteingehalt von 58% (DD-WP 142 452).

Futterhefen die kontinuierlich auf Essigsäure, bzw. Gemischen aus Essigsäure und Ethanol gezüchtet wurden besitzen einen Rohproteingehalt von 55-58%; ein ähnlicher Wert von 57,4% Rohprotein gilt auch für die gemischte C-Quelle Saccharose/Ethanol (DD-WP 142 452). Für die Verhefung von Methanol wird in der US-PS 1 348 304 bzw. DE-AS 2 114 447 bei der Fermentation von Oxydationsprodukten von Kohlenwasserstoffen ein Rohproteingehalt von 55% angegeben.

Diese bisher bekannt gewordenen Verfahren zur Kultivierung von Hefen auf sauerstoffhaltigen wasserlöslichen Kohlenstoffquellen haben nur zu Rohproteingehalten in der Trockensubstanz der Biomassen von maximal 55—58% geführt.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, Hefen mit hohem Rohproteingehalt in der Trockensubstanz durch ein kontinuierliches Kultivierungsverfahren bei hoher Produktivität zu züchten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche sauerstoffhaltige wasserlösliche Kohlenstoffquelle für die Kultivierung einzusetzen, die bei stabiler kontinuierlicher Prozeßführung auf hohem Produktivitätsniveau die Züchtung von Hefen mit hohem Rohproteingehalt in der Trockensubstanz sichert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als wasserlösliche, sauerstoffhaltige Kohlenstoffquelle Acetaldehyd allein oder im Gemisch mit anderen wasserlöslichen, sauerstoffhaltigen Substanzen eingesetzt wird. Solche Substanzen sind beispielsweise, ein- oder mehrwertige Alkohole, Carbonsäuren, Kohlenhydrate. Wird Acetaldehyd im Gemisch eingesetzt ist ein Anteil an Acetaldehyd von mindestens 20 Ma.-% einzuhalten. Die Kultivierung erfolgt bei einem pH-Wert zwischen 3 und 6 und einer Temperatur die zwischen 25 und 37 ⁰C liegt.

Die stabile kontinuierliche Verhefung des Acetaldehyd bzw. acetaldehydhaltigen Gemisches wird durch eine intensive Durchmischung und die Aufrechterhaltung einer aktuellen Konzentration des Acetaldehyds im Fermentationsgemisch im Bereich von 20 bis 100 mg/l gesichert. Die aktuelle Acetaldehydkonzentration sollte 250 mg/l nicht übersteigen. Gleichzeitig wird die aktuelle Konzentration an gelöstem Sauerstoff auf mindestens 1 mg/l, bevorzugt auf 1,5 bis 2 mg/l gehalten. Zur Homogenisierung des Mediums und Aufrechterhaltung der genannten Schwellenkonzentrationen des Acetaldehyds und des Gelöstsauerstoffes wird ein Druck zwischen 100 und 1000 KPa, sowie der Einsatz von oberflächenaktiven Substanzen angewendet. Zur bedarfsgerechten Versorgung der Kultur mit Acetaldehyd kann dieser auch gasförmig, z. B. zusammen mit dem Luftstrom, dem Fermentor zugeführt werden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Hefebiomasse weist einen Rohproteingehalt von 62 bis 66 % in der Trockensubstanz auf. In nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel 1

In einem Laborfermentor mit einem Bruttovolumen von 16 I, der mit einem kräftigen Rührwerk und mit einer am Fermentorboden angebrachten Begasungseinrichtung ausgerüstet war, wurden kontinuierlich Hefen der Art Candida utilis auf der Basis von Acetaldehyd als alleinige Kohlenstoffstelle gezüchtet. Die Masse des Fermentationsmediums betrug 5,75 kg und der gesamte dosierte Flüssigkeitsstrom 1,3 kg/h, was einer Verdünnungsrate von 0,226 h~¹ entsprach. Die Fermentationstemperatur wurde auf 32⁰C, der pH-Wert durch Regelung mittels wäßrigen Ammoniaks auf einem Wert von 4,2 gehalten. Die Dosierung setzt sich aus folgenden einzelnen Flüssigkeitsströmen zusammen.

Frischwasser 0,640 kg/h

Acetaldehyd-Lösung (20 Ma.-%) 0,270 kg/h

NH₃-Lösung (6 Ma.-%) 0,070 kg/h -

Nährsalzlösung 0,320 kg/h

mit der im folgenden angegebenen Zusammensetzung Nährsalzlösung:

(pH-Wert 2-3)

KH₂PO₄ 7,0 g/l

H₃PO₄ (82 Ma.-%) 0,88 g/l

MgSO₄ -7H₂O 1,82 g/l

CuSO₄-OH₂O 11,8 mg/l

MnSO₄-5H₂O 70,2 mg/l

FeSO₄-7H₂O 10,0 mg/l

ZnSO₄ 97,0 mg/l

Die Luftzufuhr betrug 1000 l/h, die Gelöstsauerstoffkonzentration im Fermentationsmedium wurde durch Regelung der Rührerdrehzahl auf einen Wert 1,2-1,4 mg O₂/kg gehalten. Dabei wurde eine Sauerstoff Übergangsgeschwindigkeit von 10 g O₂/kg · h realisiert. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentatorablauf eine Biomassekonzentration von 23 g Hefetrockensubstanz/kg bei einer aktuellen Restkonzentration von 50-80 mg Acetaldehyd/kg erreicht, was einer Produktivität von 5,2 g Hefetrockenmasse/kg · h entsprach.

Die geerntete Hefetrockensubstanz von 31 g/h enthielt 66,0 Ma.-% Rohprotein, 8,1 Ma.-% Nukleinsäuren, 28,0 Ma.-% Kohlenhydrate und 3,5 Ma.-% Feuchtigkeit. Die scheinbare Verdaulichkeit dieses proteinreichen Trockenproduktes betrug 85%.

Beispiel 2

In einem Laborfermentor mit einem Bruttovolumen von 16 I, der mit einer mit zwei übereinander angeordneten Blattrührern bestückten Rührwelle und mit einer am Fermentorboden angebrachten Begasungsvorrichtung versehen war, wurden kontinuierlich Hefen der Art Candida utilis auf der Basis von Acetaldehyd als alleinige Kohlenstoffquelle gezüchtet. Die Masse des Fermentationsmediums betrug 6,0 kg und der gesamte dosierte Flüssigkeitsstrom 1,200 kg/h, was einer Verdünnungsrate von 0,2 h~¹ entsprach. Die Fermentationstemperatur wurde auf 32⁰C, der pH-Wert durch Regelung mittels wäßriger Ammoniaklösung auf einen Wert von 4,2 gehalten. Zur homogenen Vorverteilung im Fermentationsmedium erfolgte die Dosierung des Acetaldehyds in gasförmiger Form durch einen gelochten Ring, der in Höhe des unteren Rührers und konzentrisch zu diesem im Fermentor angebracht war. Zur Verbesserung der Durchmischung und zur Steigerung der Sauerstoffeintragsleistung enthielt das Fermentationsmedium in einer Konzentration von 0,15 g/l als oberflächenaktive Substanz ein Polyethylenoxid-Polypropylenoxid-Addukt mit der mittleren Molmasse 2200.

Im einzelnen setzte sich die Dosierung aus den folgenden Stoffströmen zusammen:

Frischwasser 0,380 kg/h

Acetaldehyd (100 Ma.-%) 0,100 kg/h

NH₃-Lösung (6 Ma.-%) 0,120 kg/h

Nährsalzlösung (gemäß Beispiel 1) 0,600 kg/h

Das Fermentationsmedium wurde mit einem Gemisch aus 800 I Luft/h und 200 I O₂/h begast. Die Gelöstsauerstoffkonzentration im Fermentationsmedium wurde durch Regelung der Rührerdrehzahl auf einen Wert von 1,5 mg O₂/l gehalten. Dabei wurde eine O_rÜbergangsgeschwindigkeit von 19 g O₂/kg · h realisiert. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentroauslauf eine Biomassekonzentration von 45 g Hefetrockensubstanz/kg bei einer aktuellen Restkonzentration von 40-50 mg Acetaldehyd/kg erreicht, was einer Produktivität von 9 g Hefetrockensubstanz/kg · h entsprach.

Die Hefebiomasse wurde zentrifugiert und bei 105⁰C getrocknet. Das Trockenprodukt, das in einer Menge von 58 g/h gewonnen wurde, enthält 66,8 Ma.-% Rohprotein, 8,0 Ma.-% Nukleinsäuren, 27,5 Ma.-% Kohlehydrate und 6,5% Feuchtigkeit. Die scheinbare Verdaulichkeit dieses proteinreichen Trockenproduktes betrug 84,5%

Beispiel 3

In einem für Druckbetrieb geeigneten Laborrührfermentor mit einem Bruttovolumen von 8 I wurden kontinuierlich Hefen der Art Brettanomyces spec. M 99 - IMET H 136 gezüchtet. Als wasserlösliche sauerstoffhaltige Kohlenstoffquelle diente ein Gemisch aus gleichen Massenteilen von Ethanol und Acetaldehyd, die jeweils in wäßriger Lösung über zwei unterschiedliche Zuleitungen dem Fermentor zudosiert wurden. Die Masse des Fermentationsmediums betrug 3,0 kg und der gesamte dosierte Flüssigkeitsstrom pro Stunde 0,720 kg, was einer Verdünnurtgsrate von 0,24 h"¹ entsprach. Die Fermentationstemperatur wurde auf 34°C, der ρH-Wert durch Regelung mittels wäßrigem Ammoniak auf einen Wert von 4,5 gehalten. Die Dosierung setzte sich aus folgenden einzelnen Flüssigkeitsströmen zusammen: Frischwasser 0,114 kg/h

Acetaldehyd-Lösung (30 Ma.-%) 0,091 kg/h

Ethanol-Lösung (30 Ma.-%) 0,091 kg/h

NH₃-Lösung (8 Ma.-%) - 0,054 kg/h

Nährsalzlösung (gemäß Beispiel 1) 0,370 kg/h

Die Fermentation wurde unter einem Druck von 300 KPa und bei einem konstanten Leistungseintrag durch das Rührwerk von 10 W/kg betrieben. Die Gelöstsauerstoffkonzentration im Fermentationsmedium wurde durch Regelung des Luftdurchsatzes auf einen Wert von 2 mg O₂/kg gehalten und eine Sauerstoff übergangsgeschwindigkeit von 21,5 g O₂/kg · h realisiert. Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentorauslauf eine Biomassekonzentration von 46,7 g Hefetrockensubstanz/kg bei einer aktuellen Restkonzentration von 150-180 mg Acetaldehyd/kg erreicht, was einer Produktivität von 11,2 g Hefetrockenmasse/kg h entsprach. Die 35 g Hefetrockenmasse, die pro Stunde gewonnen werden konnten, enthielten 64,8 Ma.-% Rohprotein, 8,3 Ma.-% Nukleinsäuren, 26,8 Ma.-% Kohlenhydrate und 4,5 Ma.-% Feuchtigkeit. Die scheinbare Verdaulichkeit dieses proteinreicheh Futtermittels betrug 85%.

Beispiel 4

In einem für Druckbetrieb geeigneten Laborrührfermentor mit einem Bruttovolumen von 8 1 wurden kontinuierlich Hefen der Art Brettanomyces spec. M 99 - IMET H 136 gezüchtet. Als Kohlenstoffquelle diente sin Gemisch von 75 Ma.-% Ethanol und 25 Ma.-% Acetaldehyd in wäßriger Lösung, bei getrennter Dosierung der Einzelkomponenten. Die Masse des Fermentationsmediums betrug 3,0 kg und der gesamte dosierte Flüssigkeitsstrom 0,720 kg/h, was einer Verdünnungsrate von 0,24 h"¹ entsprach. Die Fermentationstemperatur wurde auf 34 °C, der pH-Wert durch Regelung mittels wäßrigen Ammoniaks auf einen Wert von 4,5 gehalten.

Die Dosierung setzte sich aus folgenden einzelnen Flüssigkeitsströmen zusammen

Frischwasser 0,129 kg/h

Ethanol-Lösung (30 Ma.-%) 0,135 kg/h

Acetaldehyd-Lösung (30 Ma.-%) 0,045 kg/h

NH₃-Lösung (8 Ma.-%) 0,051 kg/h

Nährsalzlösung (gemäß Beispiel 1) 0,360 kg/h

Die Fermentation wurde unter einem Druck von 300 KPa und bei einem konstanten Leistungseintrag durch das Rührwerk von 10 W/kg betrieben. Die Gelöstsauerstoffkonzentration im Fermentationsmedium wurde durch Regelung des Luftdurchsatzes auf einen Wert von 1,8 mg O₂/kg gehalten und eine Sauerstoffübergangsgeschwindigkeit von 20 g O₂/kg h realisiert.

Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentorauslauf eine Biomassekonzentration von 47,5 g Hefetrockensubstanz/kg bei einer aktuellen Restkonzentration von 100-120 mg Acetaldehyd/kg erreicht, was einer Produktivität von 11,4g Hefetrockensubstanz/kg · h entspricht.

Die 36 g Hefetrockenmasse, die stündlich geerntet werden konnten, enthielten 62,2 Ma.-% Rohprotein, 8,0 Ma.-% Nukleinsäuren, 28,0 Ma.-% Kohlenhydrate und 4,5 Ma.-% Feuchtigkeit.

Die scheinbare Verdaulichkeit dieses proteinreichen Trockenproduktes betrug 84,5%.

Beispiel 5

In einem Laborfermentor mit einem Bruttovolumen von 16 I, der mit einem kräftigen Rührwerk und mit einer am Fermentorboden angebrachten Begasungsvorrichtung versehen war, wurden kontinuierlich Hefen der Art Candida utilis auf der Basis einer wasserlöslichen sauerstoffhaltigen Kohlenstoffquelle gezüchtet, die zu 70 Ma.-% aus Acetaldehyd, zu 20 Ma.-% aus Glucose und zu 10 Ma.-% aus Essigsäure bestand. Die Dosierung setzte sich aus folgenden gesonderten Flüssigkeitsströmen zusammen:

Acetaldehyd-Lösung (20 Ma.-%) 0,350 kg/h

Glucose-Lösung (40 Ma.-%) 0,050 kg/h

Essigsäure-Lösung (20 Ma.-%) 0,050 kg/h

NH₃-Lösung (6 Ma.%) 0,085 kg/h

Nährsalzlösung (gemäß Beispiel 1) 0,520 kg/h

Frischwasser 0,255 kg/h

Der gesamte dosierte Flüssigkeitsstrom betrug 1,280 kg/h, was bei einer Masse des Fermentationsmediums von 6,4 kg/h einer Verdünnungsrate von 0,2 h"¹ entsprach. Die Fermentationstemperatur wurde auf 33°C, der pH-Wert durch Regelung mittels wäßriger Ammoniaklösung auf einem Wert von 4,8 gehalten. Durch das Rührwerk wurde ein Leistungseintrag in das Fermentationsmedium von 8 W/kg realisiert. Die Gelöstsauerstoffkonzentration im Fermentationsmedium wurde durch Regelung des Luftdurchsatzes auf einen Wert von 1 mg O₂/l gehalten. Dabei wurde eine O₂-Übergangsgeschwindigkeit von 12,9 g O₂/kg · erzielt.

Unter diesen Bedingungen wurde im Fermentorablauf eine Biomassekonzentration von 36 g Hefetrockensubstanz/kg bei einer aktuellen Restkonzentration von 40-60 mg Acetaldehyd/kg erreicht, was einer Produktivität von 7,2 g Hefetrockensubstanz/kg · h entsprach.

Die Hefebiomasse wurde zentrifugiert und bei 105⁰C getrocknet. Das Trockenprodukt, das in einer Menge von 49 g/h gewonnen wurde, enthielt 61,7 Ma.-% Rohprotein, 7,9 Ma.-% Nukleinsäuren, 30 Ma.-% Kohlenhydrate und 5,5 Ma.-% Feuchtigkeit. Die scheinbare Verdaulichkeit dieses proteinreichen Trockenproduktes betrug 84%.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Gewinnung proteinreicher Hefebiomasse auf wasserlöslichen, sauerstoffhaltigen Kohlenstoffquellen in Gegenwart einer mineralischen Nährsalzlösung eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases und einer oberflächenaktiven Substanz, dadurch gekennzeichnet, daß als wasserlösliche, sauerstoffhaltige Kohlenstoffquelle Acetaldehyd allein oder im Gemisch mit einer anderen wasserlöslichen, sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffquelle mit einem Anteil von mindestens 20 Ma.-% verwendet wird, wobei die aktuelle Konzentration des Acetaldehyds im Kulturmedium maximal 250 mg/l vorzugsweise 20 bis 100 mg/l und die aktuelle Konzentration an Gelöstsauerstoff mindestens 1 mg/l, bevorzugt 1,5 bis 2 mg/l beträgt, und daß das sauerstoffhaltige Gas unter einem Druck von 100 bis 1000 KPa im Fermentor steht oder eine sauerstoffangereicherte Luft mit bis zu 80 Vol.-% verwendet wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Acetaldehyd dem Fermentor flüssig oder gasförmig zugeführt werden.