DD272182A3

DD272182A3 - Verfahren zur gewinnung von hochwertigem futtereiweiss aus molke

Info

Publication number: DD272182A3
Application number: DD29774586A
Authority: DD
Inventors: Dieter Weiske; Fritz Ebert; Martin Dipl Ing Dr Schenk; Klaus Dipl Ing Puechner; Ingeborg Dipl Biol Dr Flemming; Heinz Dipl Ing Albert
Original assignee: Leipzig Chemieanlagen
Priority date: 1986-12-17
Filing date: 1986-12-17
Publication date: 1989-10-04
Also published as: NL8703057A; FR2610482A1; DE3742318A1; FR2610482B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von hochwertigem Futtereiweiss aus Molke und kann in milchverarbeitenden Betrieben oder in der Peripherie dieser gelegenen landwirtschaftlichen Betrieben mit Tiermast, vorwiegend Monogastriden, genutzt werden. Aufgabe der Erfindung ist ein Fermentationsverfahren fuer Rohmolke bei schwankenden Zulaufkonzentrationen mit maximaler Ausbeute der Molkeinhaltsstoffe zu hochwertigem Futtermittel. Die Aufgabe wird durch Einsatz einer Mischpopulation von Hefen der Gattungen Debaryomyces, Kluyveromyces, Pichia, Aciculoconidium und Hansenula in bestimmten Anteilen zueinander bei Zudosierung von Ammonsulfat als einziger Stickstoffquelle geloest. Der Prozess wird bei einem p H-Wert von 1,8-2,3 betrieben. Der Einsatz dieser Mischpopulation zu bestimmten Anteilen gestattet eine Ausbeutesteigerung von erzeugter Biomasse um mehr als 20%. Nach einer folgenden Thermolyse besitzt das eiweiss- und vitaminreiche Produkt eine hohe diaetetische Wirkung und bewirkt eine hoehere Futterausnutzung.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein biotechnologisches Verfahren zur Kultivierung von Hefen durch aerobe kontinuierliche Fermentation von Molkeninhaltsstoffen unter gezielten technologischen Bedingungen und die Gewinnung von hochwertigem Futtereiweiß Die Erfindung kann in der milchverarbeitenden Industrie genutzt werden, um durch höhere Veredelung der Molkemnhaltsstoffe ein qualitativ hochwertiges Eiweißfuttermittel fur die Mast von Monogastnden zu erzeugen

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Die Fermentation von Molke mit dem Ziel, die utilisierbaren Inhaltsstoffe, insbesondere Laktose und Milchsaure, zu Rohprotein umzuwandeln und dadurch die Wertigkeit des Abproduktes Molke zu erhohen, wird umfangreich in der Fach-und Patentliteratur beschrieben. In dem Ubersichtsarttkel MICROBIAL BIOMASS von I Meyroth und K Bayer (veröffentlicht 1979 im ACADEMIC PRESS-Verlag, London, New York, Toronto, Sydney, San Francisco, S 208-269) wird eine umfangreiche Zusammenstellung über die durchgeführten Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Fermentation von Molke und die erreichten Ergebnisse vorgelegt Fazit dieser Zusammenstellung ist, daß die Verhefung flussiger kohlenhydrathaltiger Abfallstoffe ein logischer Veredelungsschritt ist, daß aber nur in einigen Fallen die großtechnische Fermentation von Molke durchgeführt wurde, da das gewonnene Eiweißfuttermittel aus Molke mit den anderen Eiweißfuttermitteln preislich konkurrieren muß Die in der Patentliteratur beschriebenen Erfindungen sind durch nachfolgende Verfahrensstufen gekennzeichnet

— Molkelagerung und Kühlung bei Temperaturen um 1O⁰C

— Eiweißabtrennung aus der Molke

— Fermentation

— Aufarbeitung des Fermentorablaufes stufenweise zu einem Trockenprodukt

— Konfektionierung des Produktes

Diese einzelnen Verfahrensstufen erfordern einen umfangreichen apparativen, meßtechnischen sowie regelungstechnischen Aufwand

In mehreren Patentanmeldungen (DE-OS 2403306 5, DE-OS 2410349 9, DE-OS 2500323 0, DE-OS 2656663 2, DE-OS 2752485 2) wurde ein Verfahren beansprucht, in dem Molke und bei der Milchverarbeitung anfallende laktosehaltige Abwasser fermentiert werden, die jedoch alle insgesamt den Nachteil haben, daß entweder nur ein definierter Hefestamm zum Einsatz kommt, oder Kombinationen von Hefestammen und Bakterien verwendet werden, die zunächst die Laktose in Milchsäure umwandeln und dann selektiv Milchsäure assimilieren und Eiweiß erzeugen

In der französischen Patentschrift Nr. 80 22401 wird der Einsatz einer Mischpopulation beschrieben, die das Ziel hat, in einer Ausbeute zu steigern. Dabei wird das Kulturmedium Molke durch die Hefestämme

Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces laktis Turolopsis borina

fermentiert. Die Bedingungen für den Fermentationsprozeß liegen bei 30-40⁰C, einem pH-Wert von 3-4 und der Zugabe bestimmter Spurensalze. Dabei ist jeder Hefestamm für den Umsatz eines bestimmten Inhaltsstoffes zuständig. In der Reihenfolge Laktose, Milchsäure, Alkohol sind die aufgeführten Hefestämme für den fermentativen Abbau zuständig. Dabei ist als ein Nachteil anzusehen, daß der aerobe Fermentationsprozeß die Entstehung von Alkohol zuläßt. Dieser Nachteil läßt sich auch aus der französischen Patentschrift Nr. 78 30229 ableiten, wo die Erzeugung von Biomasse und Alkohol und dessen anschließende Utilisation zu Eiweiß beschrieben ist. Außerdem ist für die einwandfreie Funktion des Prozesses in den genannten Erfindungen die Abtrennung des in der Molke enthaltenen Eiweißes erforderlich. Dies wird entweder durch Hitzefällung oder eine zusätzliche Trennstufe, in der eine Ultrafiltration mit geeigneten Membranen zur selektiven Abtrennung der Molkenproteine angewandt wird, realisiert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Erhöhung der Ausbeute an erzeugter Biomasse bei derVerhefung von Molkeninhaltsstoffen zu erreichen. Dabei soll die Qualität der erzeugten Biomasse, gemessen an der Verdaulichkeit und den Mastergebnissen, den vergleichbaren Produkten gleich bzw. überlegen sein. Durch einen hohen Eiweiß- und Vitamingehalt des Produktes soll eine Erhöhung der Futterausnutzung erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches Verfahren zu entwickeln, welches einen störungsfreien Produktionsprozeß der Gewinnung von Futtereiweiß aus Molke bei schwankenden Zulaufkonzentrationen an Laktose, Milchsäure und Molkenproteinen sowie Stoffwechselprodukten der in der Molke enthaltenen Kulturen aus der Käseproduktion mit einer maximalen Ausbeute der Molkeinhaltsstoffe zu hochwertigem Futtermittel gewährleistet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine definierte Mischpopulation von Hefen der Gattungen Debaryomyces, Kluyveromyces, Pichia, Aciculoconidium und Hansenula in einem Hochleistungsfermentor bei speziellen Fermentationsbedingungen auf dem Substrat Molke fermentiert wird. Überraschenderweise wurde gefunden, daß eine Mischpopulation der Hefestämme

Debaryomyces hansenii LH306 (ZIMET 43788)

Kluyveromyces marxianus LH 35 (ZIMET 43786)

Pichia norvegensis H 73 (ZIMET 43787)

Aciculoconidium aculeatum H308 (ZIMET 43790) und

Hansenula jadinii H307 (ZIMET 43789), die in der genannten Reihenfolge zu einem Anteil zwischen

75 und 82%, vorzugsweise 78%

12 und 18%, vorzugsweise 15% 3 und 5%, vorzugsweise 4% 1 und 3%, vorzugsweise 2% sowie 0,5 und 2%, vorzugsweise 1%

in dem Gemisch vorliegen,

die kohlenstoffhaltigen Inhaltsstoffe zu einem hochwertigen Eiweißfuttermittel mit hohem Vitaminanteil utilisiert. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Mischpopulation wird im Fermentor vorgelegt und entsprechend dem Anfahrregime unbehandelte Molke, Lab- oder Sauermolke, zugesetzt. Diese Mischung wird unter Zugabe des für die Fermentation notwendigen Stickstoffbedarfs im Fermentor aerob fermentiert. Bei einer Verweilzeit von 4 Stunden wird entsprechend der Fermentorgrößedie notwendige Molkenmenge zugefahren. Die Fermentortemperatur wird auf 30 bis 40⁰C, vorzugsweise 35 bis 37°C, eingeregelt. Der Gelöstsauerstoffspiegel liegt bei etwa 20%. Entsprechend dem Stickstoffverbrauch der Hefen wird als Stickstoffquelle nur eine Ammoniumsulfatlösung zugefahren, wobei die Stickstoffzufuhr entsprechend einer Reststickstoffkonzentration von 250mg/l eingestellt wird. Der Prozeß wird bei einem pH-Wert von 1,8-2,3 und einer Dichte von 400 bis 550 kg/m³ betrieben. Diese technologischen Parameter gewährleisten einen stabilen Prozeßverlauf. Im Versuchsbetrieb wurde der Fermentor 17 Monate durchgängig betrieben. Die monatlich durchgeführten taxonomischen Kontrollen ergaben nur geringfügige Schwankungen vom angegebenen Mittelwert der Konzentration der einzelnen Stämme. Es war eine Ausbeutesteigerung bei erzeugter Biomasse gegenüber anderen Verfahren um mehr als 20% zu verzeichnen. Die erfindungsgemäß eingesetzten Hefestämme sind durch nachfolgende Merkmale charakterisiert:

Morphologische Merkmale

1. Kolonien nach 3 Tagen Wachstum auf Glucoseagar pH 5,4 Debaryomyces hansenii:

Kluyveromyces marxianus: Pichia norvegensis: Aciculoconidium aculeatum: Hansenulajadinii:

weiß-grau, mittelgroß, matt, Profil konvex, runzlig, z. T. hirnartig gewundene Querleisten, Rand

glatt bis buchtig

sehr groß, beige-creme, matt, Rand glatt, Profil knopfförmig

mittelgroß-groß, beige, mattglänzend, Rand glatt, Profil knopfförmig

klein bis mittelgroß, weiß-beige, stark glänzend, Rand glatt, Profil konvex

groß, glänzend, beige, Rand glatt, Profil spitzkegelig

2. Zellformen nach 3 Tagen Wachstum auf Glucoseagar pH 5,4 Debaryomyces hansenii:

Kluyveromyces marxianus: Pichia norvegensis:

Aciculoconidium aculeatum:

Hansenulajadinii:

langgestreckt ovale, z. T. gebogene Zellen, überwiegend Pseudomycel, Blastosporen

multilateral

Größe: 9,00 χ 2,6 pm (4,5 - 12 x 2,5 - 3) pm

oval bis langgestreckt oval, Blastosporen multilateral

Größe: 6,3 x 3,85 pm (4,5 - 8,0 χ 2,5 - 4,5) pm

rund bis oval, Blastosporen multilateral

Größe: 3,56 x 2,88 pm (2,5 - 5 χ 2,5 - 3,5) pm

langgestreckt, dünn, Blastosporen multilateral

Größe: 11,67 x 1,83 pm (7,5-16 x 1,5-2,5) pm

langgestreckt oval, Blastosporen multilateral

Größe: 6,57 x 2,93 pm (5,55 - 7,5 χ 2,5 - 4) pm

Physiologische Merkmale Debaryomyces hansenii

Wachstum bei: 30⁰C — sehr gutes Wachstum auf Agar 37°C — gutes Wachstum auf Agar 45⁰C — gutes Wachstum auf Agar 0,01 % Cycloheximid — gutes Wachstum

Assimilation von	Maltose	Lactose
Glucose Galactose	Trehalose	Raffinose
Sorbose	Methyl-D-	Melezitose
Xylose	glucopyranosid
	Cellobiose	Stärke
L-Arabinose	Salicin	Erythrit
Saccharose	Arbutin	Ribit
Melibiose	Glucitol	Inosit
Mannit	L-Lactat	Succinat
Gluconolacton	Ära bit	Na-Gluconat±
Glucosamin	Rhamnose±	Inulin ±
Ribose±
Dulcit±

Keine Assimilation von

D-Arabinose Na-citrat Nitrat

Fermentation von

Glucose, Galactose, Saccharose, Lactose, Raffinose Keine Fermentation von Maltose, Trehalose, Melibiose, Cellobiose, Melezitose, Stärke, Methyl-glucopyranosid Kluyveromyces marxianus Wachstum bei: 30°C — sehr gutes Wachstum auf Agar 37⁰C — gutes Wachstum auf Agar 45 °C — gutes Wachstum auf Agar 0,01 % Cycloheximid — gutes Wachstum

Assimilation von	Raffinose
Galactose	Mannit ±
Xylose ±	Glucitol ±
L-Arabinose ±	L-Lactat
Saccharose	Succinat
Lactose
Glucose

	Maltose	Salicin	Stärke	-4- 272 182
Keine Assimilation von	Trehalose	Arbutin	Erythrit
Sorbose	Methyl-D-	Melibiose	Ribit
Ribose	glucopyranosid
D-Arabinose	Cellobiose	Melezitose	Na-citrat
	Inosit	Gluconolacton
L-Rhamnose	Arabit	Na-gluconat
Dulcit	Nitrat	Inulin
Glucosamin
Glucuronlacton

Fermentation von

Glucose, Galactose, Saccharose, Lactose, Raffinose

Keine Fermentation von

Maltose, Trehalose, Melibiose, Cellobiose, Melezitose, Stärke, Methyl-D-glucopyranosid

Pichia norvegensis

Wachstum bei: 30⁰C — sehr gutes Wachstum auf Agar 37⁰C— gutes Wachstum auf Agar 45⁰C— kein Wachstum auf Agar

0,01 % Cycloheximid — kein Wachstum Assimilation von Glucose, Cellobiose, Salicin, Arbutin, Gluconolacton, Lactat, Succinat, La-citrat, Glucosamin Keine Assimilation von Galactose, Sorbose, Ribose, Xylose, L-Arabinose, D-Arabinose, L-Rhamnose, Saccharose, Maltose, Trehalose, Methyl-D-glucopyranosid, Melibiose, Lactose, Raffinose, Melezitose, Inulin, Stärke, Erythrit, Ribit, Dulcit, Mannit, Glucitol, Inosit, Arabit, Na-gluconat, Glucuronlacton, Nitrat. Fermentation von

Glucose (verzögert) Cellobiose (verzögert)

Keine Fermentation von

Galactose, Maltose, Saccharose, Trehalose, Melibiose, Lactose, Melezitose, Raffinose, Stärke, Methyl-D-glucopyranosid Aciculoconidium aculeatum Wachstum bei: 30⁰C — sehr gutes Wachstum 37"C — gutes Wachstum 45°C — gutes Wachstum

0,01 % Cycloheximid — kein Wachstum Assimilation von Glucose, Saccharose, Maltose, Trehalose, Methyl-D-glucopyranosid, Melezitose, Ribit, Mannit, Glucitol, Succinat, Na-citrat, Glucosamin Keine Assimilation von Galactose, Sorbose, Ribose, Xylose, L-Arabinose, D-Arbabinose, L-Rhamnose, Cellobiose, Salicin, Arbutin, Melibiose, Lactose, Raffinose, Inulin, Stärke, Erythrit, Dulcit, Inosit, Gluconolacton, Lactat, Arabit, Na-gluconat, Glucuronlacton, Nitrat. Fermentation von Glucose verzögert. Keine Fermentation von Galactose, Maltose, Saccharose, Trehalose, Melibiose, Lactose, Cellobiose, Melezitose, Raffinose, Stärke, Methyl-D-glucopyranosid Hansenula jadinii Wachstum bei: 3O⁰C — gutes Wachstum auf Agar

37°C—gutes Wachstum auf Agar 45⁰C — kein Wachstum auf Agar 0,01% Cycloheximid — kein Wachstum Assimilation von Glucose, Galactose, Sorbose, Xylose ±, Saccharose, Maltose, Trehalose, Methyl-D-glucopyranosid, Cellobiose, Salicin, Arbutin, Raffinose, Melezitose ±, Glucitol ±, Gluconolacton, Lactat, Succinat, Na-citrat, Na-gluconat, Nitrat. Keine Assimilation von Ribose, L-Arabinose, D-Arabinose, Melibiose, Lactose, Inulin, Stärke, Erythrit, Ribit, Dulcit, Mannit, Inosit, Glucosamin, Arabit, Glucuronlacton, L-Rhamnose Fermentation von Glucose, Saccharose Keine Fermentation von Galactose, Maltose, Trehalose, Melibiose, Lactose, Cellobiose, Melezitose, Raffinose, Stärke, Methyl-D-glucopyranosid. Wachstum ohne Vitaminzusatz.

Der Fermentorablauf wird unmittelbar oder nach Aufkonzentrierung durch thermische oder Membrantrennstufen in einem modifizierten Plattenwärmeübertrager bei einer Temperatur von 80 bis 95⁰C, vorzugsweise bei 85 bis 90⁰C, und einer Verweilzeit von 40 bis 80s, vorzugsweise 45 bis 60s, salmonellenfrei thermolysiert. Bei einem vorzugsweisen Einsatz in der Mast von Monogastriden stellt sich durch den hohen Eiweiß- und Vitamingehalt und die diätetische Wirkung des Produktes eine Erhöhung der Futterausnutzung um mindestens 20% ein. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde ein Produkt erhalten, das wie folgt charakterisiert werden kann:

Trockensubstanzgehalt	43-45 g/l
Gehalt Rohprotein	20-22 g/l
Restlaktosegehalt	max. 1 g/l
Gehalt Lysin	35 g/kg TS
Gehalt Methionin/Zystin	15 g/kg TS
Gehalt Vitamin
- B₂	60 mg/kg TS
- B₁₂	5 mg/kg TS
— E	15 mg/kg TS
Gehalt Phosphor	15 g/kg TS

Ausführungsbeispiel

Die in einer Käserei täglich anfallende Molke gelangt in einen jeweils frisch gereinigten Tank und wird von hier aus über eine Dosierpumpe dem CLG-Strahlfermentor zugeführt. Beim Anfahren des Prozesses wird der vorgelegten erfindungsgemäßen Mischpopulation die unbehandelte Rohmolke zugesetzt und der Fermentor solange im Batchprozeß betrieben, bis der Lactosegehalt auf < 1 g/kg utilisiert ist. Dem Ansatz wird noch Ammoniumsulfatlösung für das den Inhaltsstoffen adäquate Hefewachstum zugesetzt. Ist die Lactose fast vollständig abgebaut, wird mit der Dosierung von Molke begonnen. Die Dosierung wird stufenweise von 200 kg auf 1 t/h gesteigert. Bedingt durch das Wirkprinzip des CLG-Strahlfermentors und die emulgierende Eigenschaft der Molke stellt sich eine Dichte im Fermentor von 400-550 kg/m³ ein. Die daraus resultierende Verweilzeitschwankung hat praktisch keinen Einfluß auf die Hefeausbeute im Fermentor. Im Versuchszeitraum des über mehrere Monate durchgehenden Versuchsbetriebes wurde eine Biomasseproduktion von 28,2 ± 2,4g/kg Molke ermittelt. Die Zugabe von Ammoniumsulfatlösung erfolgt entsprechend dem Hefewachstum und dem Durchsatz der Anlage über eine Dosierpumpe, gesteuert vom Gehalt an assimilierbarem Reststickstoff im Substrat.

Abhängig von jahreszeitlichen Schwankungen der Molkezusammensetzung werden noch geringfügige Mengen verschiedener Spurensalze zugegeben. Der Prozeß wird bei einem pH-Wert von 1 ,8-2,3 betrieben. Es wird also nicht wie bei den in der Literatur und den genannten Erfindungen der pH-Wert auf ein vermeintliches Optimum von 3,8-4,2 reguliert, sondern durch das Zusammenwirken der verschiedenen Hefearten bei diesem pH-Wert ebenfalls eine optimale Ausbeute erzielt. Außerdem werden durch den pH-Wert von 1,8-2,3 andere Organismen, insbesondere Bakterien, wie auch Salmonellen, aus dem Prozeß ferngehalten.

Die mikrobiologische Kontrolle ergibt ein sauberes Zellbild, indem die erfindungsgemäß eingesetzte Mischpopulation in der gewählten Zusammensetzung sauber vorliegt. Die Fermentationstemperatur wird bei 35-39°C eingeregelt. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Hefepopulation wurde über den Versuchszeitraum von 8 Monaten mehrfach kontrolliert und es wurden praktisch keine signifikanten Abweichungen vom angegebenen Durchschnittswert festgestellt. Das vom Fermentor kontinuierlich ablaufende verhefte Substrat wird in einem Behälter gestapelt und entgast. Die entgaste verhefte Molke wird der Thermolyseeinrichtung zugeführt. Für die Thermolyse wird ein Milcherhitzer verwendet, der für diesen Zweck nach einem speziellen Regime betrieben wird. Das so gewonnene Eiweißkonzentrat wird der Verfütterung an Mastschweine zugeführt. Das nach der vorliegenden Beschreibung erhaltene Futterkonzentrat wurde bei der Schweinemast in einem Versuch an 90 Schweinen über einen gesamten Mastabschnitt in praxisnahen Bedingungen verfüttert. Neben einer sehr gutsn Futteraufnahme und einer sehr guten Verträglichkeit wurden überdurchschnittliche Zumastergebnisse erreicht. Außerdem kann durch die Verkürzung der Mastzeit die Effektivität der Mastanlage beträchtlich gesteigert werden.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von hochwertigem Futtereiweiß aus Molke durch Verhefung der Molkeninhaltsstoffe mit einer definierten Hefemischpopulation in einem belüfteten Hochleistungsfermentor, vorzugsweise einem CLG-Strahlfermentor, gekennzeichnet dadurch, daß die Molke mit einer Mischpopulation aus den Hefestämmen Debaryomyces hansenii LH 306 (ZIMET 43788)

Kluyveromyces marxianus LH35 (ZIMET43786)

Pichia norvegensis H73 (ZIMET 43787)

Aciculoconidium aculeatum H308 (ZIMET43790) und Hansenula jadinii H307 (ZIMET 43789),

wobei die Hefestämme in der Mischpopulation in der aufgeführten Reihenfolge zu einem Anteil zwischen

75 und 82%, vorzugsweise 78%

vorliegen, bei einer Temperatur von 30 bis 40°C, vorzugsweise 35 bis37°C, einem pH-Wert von 1,8 bis 2,3 und einer Dichte von 400 bis 550 kg/m³ unter Zugabe des notwendigen Stickstoffbedarfs kontinuierlich aerob fermentiert wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Substrat unbehandelte Lab- und/oder Sauermolke eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Deckung des Stickstoffbedarfs der Hefen nur Ammoniumsulfatlösung zugeführt wird.

4. Verfahren nach Punkt 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß der Fermentorablauf unmittelbar oder nach Aufkonzentrierung durch thermische oder Membrantrennverfahren nachfolgend in einem modifizierten Plattenwärmeübertrager bei einer Temperatur von 80 bis 95⁰C, vorzugsweise bei 84 bis87°C, und einer Verweilzeit von 40 bis 80s, vorzugsweise 45 bis 60s, thermolysiert wird.