DD275070A1

DD275070A1 - Verfahren zur herstellung von biomasse

Info

Publication number: DD275070A1
Application number: DD31921088A
Authority: DD
Inventors: Horst Bergmann; Walter Teich; Gerhard Otto; Konrad Leuschner; Ruediger Hesselbarth; Peter Loewe
Original assignee: Dessau Gaerungschemie
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1988-08-26
Publication date: 1990-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Hefebiomasse auf der Basis von Saccharose. Erfindungsgemaess wird die Kultivierung zweistufig durchgefuehrt, wobei das Substrat in der ersten Stufe zu 75 bis 100% in Form von Melasse und in der zweiten Stufe zu 75 bis 10% in Form von reiner Saccharose eingesetzt wird. Die auf diese Art und Weise erzeugte Hefebiomasse wird anschliessend konzentriert und getrocknet.

Description

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Herstellung mikrobieller Biomasse werden in bestimmtem Umfang Kohlenhydrate als Kohlenstoffquelle eingesetzt. Es handelt sich dabei entweder um reine Kohlenhydrate, ζ. B. Saccharose in Form von Rohzucker, oder um kohldnhydrathaltige Medien, z.B. Melasse, die meistens eine sehr komplexe Zusammensetzung aufweisen und als Nebenprodukt bei bestimmten Verfahren anfallen. Die genannten Kohlenhydrate werden zur Herstellung von Futterhefe als Gemisch eingesetzt und einstufig kultiviert.

So ist ein Verfahren bekannt, DD-PS 224615, bei dem ein Gemisch aus Saccharose (Rohrzucker) und Melasse eingesetzt wird, wobei die Ausbeute 44,6 bzw. 53,1 % (nach elektromagnetischer Behandlung der dem Fermentor zufließenden Medien) beträgt. Nach einem weiteren Verfahren, DD-PS 142453, wird ebenfalls ein Gemisch von Saccharose und Melasse zur Kultivierung von Hefsn eingesetzt. Die Ausbeute beträgt 52%. Die genannten Verfahren haben den Nachteil, daß die erreichten Ausbeuten zu gering sind. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß die mikrobielle Biomasse durch die komplex zusammengesetzten Kohlenhydrate (Melasse) mit anorganischen Verbindungen (Salze) belastet wird. Die Senkung des Salzgehsites erfolgt bekannterweise mit Hilfe von Wasserwäschen, die jedoch das Verfahren ökonomisch stark belasten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung der Ausbeute bei der Herstellung von Hefebiomasse auf der Basis von Saccharose und eine Reduiierung des Salzgehaltes.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabo zugrunde, durch eine spezielle Kultivierung von Hefen auf der Basis reiner und komplex zusammengesetzter Kohlenhydrate eine Verbesserung der Ausbeute und Reduzierung des Salzgehaltes zu erreichen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß man die Kultivierung in zwei Stufen durchführt, wobei die Saccharose in der ersten Stufe zu 75 bis 100% in Form von Melasse und in der zweiten Stufe zu 75 bis 100% in Form reiner Saccharose eingesetzt wird. Die Verfahrensweise ist im einzelnen folgende:

In einer arsten Stufe, die aus einem Fermentor oder auch ruehreren Fermo;,toren bestehen kann, werden Hefen in bekannter Art und Weise auf der Basis von Melasse kultiviert. Der Ferr/sr ltorablauf der ersten Stufe wird anschließend sofort oder nach einer Inaktivierung der Hefebiomasse in eine zweite Fermentationsstufe dosiert. Gegebenenfalls kann die Hefebiomasse mittels Separator vorher abgetrennt werden. In der zweiten Fermentationsstufo werden erneut Hefen in bekannter Art und Weise kultiviert, wobei jedoch reine Saccharose (Anteil 75 bis 100%) als Kohlenstoffquelle eingesetzt wird. Aus dem Fermentorablauf der zweiten Stufe gewinnt man mittels Separation, Eindampfung und Trocknung die Hefebiomasse. Als Fermentationsmedium dient für die dargelegte Verfahrensweise zur Aufnahme der Roh- und Hilfsstoffe im allgemeinen Frischwasser bzw. ein Gemisch aus Frischwasser und Wasser, das im Prozeß zurückgeführt wird (Kreislaufwasser). In speziellen Fällen kann dieses Wasser teilweise oder vollständig durch Schlempe ersetzt werden. In den folgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

In einer zweistufigen Fermentationsanlage, bestehend aus zwei Laborrührfermenioren von je 151 Bruttovolumen und mit einem Masscninhalt von jeweils 6kg wurden kontinuierlich Hefen der Art Candida utilis auf der Basis von Melasse bzw. reiner Saccharose gezüchtet. In beiden Fermentoren betrug die Temperatur 32^CC; der pH-Wert wurdo durch Regelung mittels NH₃-Wasser auf 4,0 gehalten. Beide Fermentoren wurden durch eine am boden des Fermentors befindliche Begasungsvorrichtung mit jeweils 5001 Luft/h belüftet. In den ersten Fermentor wurden kontinuierlich 400g/h einer wäßrigen Melasselösung mit einem Saccharosegehalt von 24 Ma.-% dosiert, dio durch Vermischen von Melasso mit einem gleichgroßen Masseantnil Frischwasser

hergestellt worden war. Außerdem wurden dem ersten Fermentor noch 200g/h einer wäßrigen Nährsalzlösung von üblicher Zusammensetzung und 900g/h Frischwasser zudosiert, so daß der Gesamtzulauf 1500g/h betrug, entsprechend einer Verdünnungsrate von D = 0,25h"'. Unter diesen Bedingungen wurde in der 1.Fermentationsstufe eine Produktivität von 8,3g Hefetrockenmasse/kg · h erreicht.

Der Ablauf der 1. Fermentationsstufe, der eine Biomassekonzentration von 3,32 Ma.-% enthielt, wurde kontinuierlich in einem War leaustauscher auf 48⁰C erwärmt, für einen Zeitraum von 5 Minuten bei dieser Temperatur gehalten und danach mit Hilfe eines Kühlers wieder auf 32⁰C abgekühlt. Anschließend wurde der auf diese Weise thermisch inaktivierte Fermentorablauf in einer Menge von 1500g/h direkt der 2. Fermentationsstufe zugeführt. Außerdem wurden in den 2. Fermentor kontinuierlich 200g/h einer wäßrigen Saccharoselösung mit einem Saccharosegehalt von 40Ma.-% sowie 60g/h wäßcige Nährsalzlösung dosiert. Der Gesamtzulauf betrug somit 1760g/h, was einer Verdünnungsrate von D = 0,293h"¹ entsprach. Unter diesen Bedingungen wurde in der 2. Fermentationsstufe eine Produktivität von 8,25g Hefetrockenmasse/kg · h erreicht. Der Ablauf der 2. Fermentationsstufe wurde in einer Menge von 1760g/h und mit einer Biomassekonzentration von b,65Ma.-% einer Separation unterzogen. Die mit Hefezellen angereicherte Phase, die eine Biomassekonzentration von 11,2 Ma.-% aufwies, wurde einer Trocknungsvorrichtung zugeführt. Nach Trocknung bei 105⁰C wurde als gemeinsame Ausbeute beider Fermentationsstufen ein Hefetrocknungsprodukt in einer Menge von 2475g, bezogen auf einen Zeitraum von 24 Stunden, erhalten, das einen Feuchtigkeitsgehalt von 3,6Ma.-% und einen Aschegehalt von 8,6Ma.-% aufwies.

In einem weiteren Versuch wurden die beiden Fermentoren unter den gleichen Fermentationsparametern, jedoch in Parallelschaltung und ohne thermische Inaktivierung betrieben. Dabei wurde der gleiche Substrateinsatz gleichmäßig auf beide Fermentoren aufgeteilt, so daß ;_der Fermentor eine Substratdosierung von jeweils 200g/h der oben genannten Melasselösung und 100g/h der oben genannten 40Ma.-%igen Saccharoselösung erhielt. Außerdem wurden noch in jeden Fermentor 200g/h Nätusa.zlösung und 1000g/h Frischwasser dosiert, so daß bei einer Saccharosekonzentration im Zulauf von 58,8g/kg die Verdünnungsrate in beiden Fermentoren D = 0,25h~' betrug. Unter diesen Bedingungen wurde in beiden Fermentoren eine Produktivität von 7,5g Hefetrockenmas se/kg · h erreicht. Die Abläufe beider Fermentoren wurden vereinigt, danach separiert und die Hefezellen enthaltende Phase ii. einer Trocknungsvorrichtung bui einer Temperatur von 105°C getrocknet. Bei dieser Verfahrensweise erhielt man ein Trockenprodukt in einer Menge von 2240g/h, bezogen auf 24Stunden, das einen Feuchtigkeitsgehalt von 3,7 Ma.-% bei einem Aschegehalt von 10,8 Ma.-% enthielt.

Beispiel 2

In der in Beispiel 1 beschriebenen zweistufigen Fermentationsanlage wurden kontinuierlich Hefen der Art Candida utilis auf der Basis von Melasse bzw. reiner Saccharose gezüchtet, wobei die Fermentationsbedingungen in beiden Fermentoren den in Beispiel 1 genannten Werten entsprachen. Die 1. Fermentationsstufe wurde mit den gleichen Dosiermengen an Roh- und Hilfsstoffen, wie in Beispiel 1 genannt, bei einer Produktivität von 8,3 g 'Hefetrockenmasse/kg · h betrieben.

Der Ablauf der 1. Fermentationsstufe, der eine Biomassekon*er.*.ration von 3,32 Ma.-% enthielt, wurde in einer Menge von 1 500g/h kontinuierlich einer Separationsctufe zugeführt und dort in zwei Stoffströme getrennt. Es wurde eine mit Hefezellen angereicherte Produktphase in einer Menge von 400g/h mit einer Biomassekonzentration von 12,5Ma.-% gewonnen. Die abgetrennte, zellfreie wäßrige Phase wurde in einer Menge von 1100g/h in die 2. Fermentationsstufe dosiert. Außerdem wurden der 2.Fermentationsstufe 160g/h einer wäßrigen Saccharoselösung mit einem Saccharosegehalt von 50Ma.-% und 240g/h Frischwasser; udosiert, so daß bei einer Gesamtdosierung von 1500g/h die Verdünnungsrate D = 0,25 h"¹ betrug. Unter diesen Bedingungen wurde in der 2,Fermeniationssufe eine Produktivität von 7,8g Hefetrockenmasse/kg · h erzielt.

Der Ablauf der 2. Fermentationsstufe, der eine Biomassekonzentration von 3,12 Ma.-% enthielt, wurde einer weiteren Separationsstufe zugeführt. Die mit Hefezellen angereicherte Produktphase der 2.Fermentationsstjfo wurde mit der Produktphase der 1. Fermentationsstufe vereinigt und einer Trocknungsvorrichtung zugeführt. Die Ausbeute an Hefetrockenprodukt betrug 1400g/h, bezogen auf 24 Stunden. Dieses Trockenprodukt wies einen Feuchtigkeitsgehalt von 3,4Ma.-% und einen Aschegehalt von 6,1 Ma.-% auf.

Ein Vergleichsversuch, der in gleicher Weise wie im Beispiel 1 unter gleichmäßigem Substrateinsatz von Melasse- und Saccharoselöjung auf beide Fermentoren in Parallelschaltung durchgeführt wurde, erbrachte eine auf 24 Stunden bezogene Gesamtausbeute von 2235g Hefetrockenprodukt mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 3,4 Ma.·% und einem Aschegehalt von

Beispiel 3

In der im Beispiel 1 genannten zweistufigen Fermentationsanlage wurden kontinuierlich Hefen der Art Candida utilis auf der Basis von Melasse bzw. reiner Saccharose gezüchtet, wobei die Fermentationsbedingungen in beiden Fermentoren den im Beispiel 1 genannten Werten entsprachen. Die 1. Fermentationsstufe wurde mit den gleichen Dosiermengen en Roh-und Hillsstoffer-, wie in Beispiel 1 angegeben, auf der Basis von Melasse bei einer Produktivität von 8,3g Hefetrockenmasse/kg - h betrieben.

Der Ablauf der 1. Fermentationsstufe, dereine Biomassekonzentration von 3,32 Ma.-% enthielt, wurde kontinuierlich in einem Wärmeaustauscher auf 48'C erwärmt, für einen Zeitraum von 5 Minuten bei dieser Temperatur gehalten und danach mit Hilfe eines Kühlers auf 32°C abgekühlt. Anschließend wurde der auf diese Weise thermisch inaktivierte Fermentorablauf in einer Menge von 1 5OOg/h kontinuierlich einer Separationsstufe zugeführt und dort in zwei Stoffströme getrennt. Es wurde eine mit Hefezeilen angereicherte Produktphase in einer Menge von 400g/h mit einer Biomassekonzentration von 12,4 Ma.-% gewonnen. Die abgetrennte, zellfreie wäßrige Phase wurde kontinuierlich in einer Menge von 1 !00g/h in die 2. Fermentationsstufe dosiert. Außerdem erfolgte die Dosierung von 160g/h einer wäßrigen Saccharoselösung mit einem Saccharosegohalt von 50 Ma.-% und von 240g/h Frischwasser, so daß bei einer Gesamtdosierung von 1500g/h die Verdünnungsrate D = 0,25h"' betrug. Unter diesen Bedingungen wurde in der 2.Fermentationsstufe eine Produktivitä» von 8,0g Hefetrockenmasse/kg · h erreicht. Der Ablauf der 2. Fermentationsstufe, der eino Biomassekonzentration von 3,2 Ma.-% enthielt, wurde einer weiteren Separationsstufo zugeführt. Die mit Hefezellen angereicherte Produktphase der 2.Fermen^tationsstufe. dio eine

Biomassekonzentration von 12,0 Ma.·% enthielt, wurde zusammen mit der Produktphase der 1. Fermentationsstufe einer Trocknungsvorrichtung zugeführt. Es wurde als Gesamtausbeute aus beiden Fermentationsstufen ein Hefetrockenprodukt in einer Menge von 2 435g, bezogen auf 24 Stunden, gewonnen, das einen Feuchtigkeitsgehalt von 3,6Ma.-% und einen Aschegehalt von 5,2 Ma.-% aufwies.

Ein Vergleichsversuch, der in derselben Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, unter gleichmäßigem Substrateinsau von Melasse· und Saccharoselösung auf beide Fermentoren in Parallelschaltung durchgeführt wurde, erbrachte eine auf 24 Stunden bezogene Gesamtausbeute von 2240 g eines Trockenproduktes mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 3,6Ma.-% und mit einem Aschegehalt von 10,8Ma.-%.

Beispiel 4

In einer zweistufigen Fermentationsanlage, bestehend aus zwei Laborrührfermentoren von je 151 Bruttovolumen und einem Masseninhalt von jeweils 6,0 kg wurden kontinuierlich Hefen der Art Candida utilis auf dar Basis von Melasse, Schlempe sowie reiner Saccharose gezüchtet. In beiden Fermentoren botrug die Temperatur 33⁰C; der pH-Wert wurde durch Regelung auf 4,2 gehalten. Beide Fermentoren wurden durch eine am Fermentorboden befindliche Begasungsvorrichtung mit jeweils 750I Luft/h belüftet. In den 1. Fermentor wurösn kontinuierlich 500 g/h ei nor wäßrigen Melasselösung mit einem Saccharosegehalt von 24Ma.-%, 800g/h Schlempe (aus der Vergärung von Melasse) und 200g/h eir er wäßrigen Nährsalzlösung üblicher Zusammensetzung dosiert. Boi einer Verdünnu, gsratevon D = 0,25Ir' wurde in dor 1. Fermentationsstufe eine Produktivität von 13,2g Hefetrockenmasse/kg h erreicht.

Der Ablauf der 1. Fermentationsstufe, der eine Biomassekonzentration von 5,28 Ma.-% enthielt, wurde kontinuierlich in einem Wärmeaustauscher auf 47°C erwärmt, für einen Zeitraum von 4 Minuten bei dieser Temperatur gehalten und danach mittels eines Kühlers auf 33°C abgekühlt. Anschließend wurde der auf diese Weise thermisch inakt'vierte Ferrnentorablauf in einer Menge von 1 500g/h kontinuierlich einer Separationsstufe zugeführt und dort in zwei Stoffströme getrennt. Es wurde eine mit Hefezellen angereicherte Produktphase in einer Menge von 500 g/h mit einer Biomassokonzentration von 15,8 Ma.-% gewonnen. Die abgetrennte, zollfreie wäßrige Phase wurde kontinuierlich in einer Menge von 1000g/h in die 2. Fermentationsstufe dosiert. Außerdem wurder. in die 2. Fermentationsstufe 270g/h einer wäßrigen Saccharoselösung mit einem Saccharosegehalt von 40Ma.-%, 80g/h einer wäßrigen Melasselösung n··* einem Saccharosegehalt von 24Ma.-%, 80g/h Frischwasser und 70g/h Nährsalzlösung dosiert, so daß der Gesamtzulauf 1 δΟΟϋ/.*¹ betrug, entsprechend einer Verdünnungsrate von D = 0,25 h"¹. Unter diesen Bedingungen wurde in der 2. Fermentationsstufe eine Produktivität von 13.0g Hofetrockenmasse/kg · herzielt. Der Ablauf der 2. Fermentationsstufe, der eine Biomassekonzentration von 5,2 Ma.-% enthielt, wurde einer weiteren Separationsstufe zugeführt. Die mit Hefezellen angereicherte Produktphase der 2. Fermentationsstufe, die eine Biomassekonzentration von 15,5Ma.-% enthielt, wurde zusammen mit der Produktphase der 1. Fermentationsstufe einer Trocknungsvorrichtung zugeführt und dort bei 105⁰C getrocknet. Als Gesamtausbeute aus beiden Fermentationsstufen wurde ein Hefetrockenprodukt in einer Menge von 3965g, bezogen auf 24 Stunden, gewonnen. Dieses Hefetrockenprodukt enthielt einen Feuchtigkeitsgehalt von 4,8Ma.-% und einen Aschegehalt von 8,2 M."i.-%.

In einem weiteren Versuch wurden die beiden Fermentoren unter den gleichen Fermentationsparametern, jedoch in Parallelschaltung und ohne thermische Inaktivierung betrieben. Dabei wurde die gleiche Einsatzmenge an Substraten wie bei der Kaskadenschaltung gleichmäßig auf beide Fermentoren verteilt, so daß jeder Fermentor eine Substratdosierung von jeweils 290g/h wäßrige Melasselösung mit 24Ma.-% Saccharose, 135g/h wäßrige Saccharoselösung mit 40Ma.-% Saccharose und 400g/h Schlempe erhielt. Außerdem wurden noch in jeden Fermentor 200g/h Nährsalzlösung und 655g/h Frischwasser dosiert, so daß bei einer Saccharosekonzentration im Zulauf von 82,4g/kg die Verdünnungsrate in beiden Fermentoren D = 0,25"' betrug. Unter diesen Bedingungen wurde in beiden Fermentoren eine Produktivität von 11,5g Hefetrockenmasse/kg · h erreicht. Die Abläufe beider Fermentoren wurden vereinigt, danach separiert und die mit Hefezellen angereicherte Phase in einer Trocknungsvorrichtung bei 105⁰C getrocknet. Bei dieser Verfahrensweise erhielt man eine Ausbeute an Hefetrockenprodukt von 3500g, bezogen cuf 24 Stunden, das einen Feuchtigkeitsgehalt von 4,8Ma.-% bei einem Aschegehalt von 11,2Ma.-% enthielt.

Beispiel 5

Entsprechend Beispiel 1 wurde eine zweistufige Farmentation betrieben und in der 1. Fermentationsstufe eine Produktivität von 8,3g Hefetrockenmasse/kg · h erreicht.

Der Fermentorablauf der 1. Fermentationsstufe mit einer Hefekonzentration von 3,3 Ma.-% wurde anschließend in tiner Menge von 1 500g/h kontinuierlich einer Separationsstufe zugeführt und in zwei Stoffströme getrennt. So wurde eine mit Hofezellen angereicherte Phase in einer Menge von 400g/h mit einer Hefekonzentration von 12,5Ma.-% gewonnen. Die gleichzeitig anfallende weitestgehend zollfreie Phase, deren Menge 1100g/h betrug, wurde anschließend in die 2. Fermentationsstufe dosiert. Außerdem wurden in die 2.Fermentationsstufe 200g/h einer Saccharoselösung folgender Zusammensetzung

64g reine Saccharose

34g Melasse mit 47 Ma.-% Saccharose 102g Wasser (entspricht: 80% Saccharose in Form von reiner Saccharose und 20% Saccharose in Form von Molasse),

140g/h Nährlösung und 6Og/h Frischwasser dosiert, so daß bei einer Gesaintdosierung von 1 500g/h die Vordünnungsrate D = 0,25h"' betrug. Unter diesen Bedingungen wurdo inder2.Fermentatinsstufeeine Produktivität von 7,8g Hefetrockenmasse/kg · h erzielt. Dor Ablauf der 2. Fermentationsstufe mit einer Hefekonzentration von 3,12 Ma.-% wurde separiert und die HefebiomasFe zusammen mit der HefebiomasEe der 1. Fermentationsstufe getrocknet. Die Ausbeute an Hefsbiomasse betrug 2395g₍bezogen auf 24 Stunden. Der Aschegehalt betrug 8,7 Ma.-%.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hefebiomasse auf der Basis von Saccharose, dadurch gekennzeichnet, daß die Kultivierung der Hefen zweistufig durchgeführt wird, derart, daß man das Substrat

a) in der ersten Stufe zu 75 bis 100% in Form von Melasse und

b) in der zweiten Stufe zu 75 bis 100% in Form von reiner Saccharose eingesetzt.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kultivierung von Hefen unter Verwendung von Saccharose als Kohlenstoffquelle. Die Erfindung kann in der mikrobiologischen Industrie zur Herstellung von Futterhefe angewandt werden.