DE2000292B2 - Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden Mikroorganismen - Google Patents
Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden MikroorganismenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit
enzymproduzierenden Mikroorganismen hoher Konzentration, bei dem die Flüssigkeit an fixierten Mikroorganismen
vorbeigeleitet wird, wobei man die Flüssigkeit durch eine Anschwemmung der Mikroorganismen
auf wenigstens einem porösen Körper und durch den porösen Körper hindurchleitet, dessen Porenweite
so bemessen ist, daß die Mikroorganismen im wesentlichen vollständig auf dem porösen Körper
zurückgehaiten werden, der Durchtritt der zu behandelnden
Flüssigkeit aber gestattet wird, nach Anspruch 1 des Patents 1517814.
Die Erfindung betrifft Verbesserungen des Verfahrens nach dem oben genannten Patent, die sowohl eine
Steigerung der Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens als auch die Gewinnung spezieller Verfahrensprodukte
möglich machen.
Das Verfahren nach dem Hauptpatent beruht im wesentlichen auf der Überlegung, daß man durch Erhöhung
der Menge der Mikroorganismen und somit der Enzymkorzentration innerhalb einer relativ kurzen
Durchflußstrecke der zu behandelnden Flüssigkeit eine sehr kräftige Enzymwirkung in einer kurzen
Zeitspanne erzielen kann. Wenn man dabei für die jeweils erwünschten oder herbeizuführenden Vorgänge,
z. B. eine Gärung oder eine Biosynthese, die Temperaturen im Bereich des bisher bekannten Optimums
hält, gegebenenfalls sogar etwas oberhalb eines solchen Temperaturbereichs arbeitet, ist es möglich,
mit relativ kleinen Apparaturen hohe Produktionsergebnisse zu erzielen.
Es wurde nun gefunden, daß sich die Produktivität des Verfahrens durch Anwendung relativ hoher
Drücke, insbesondere eines Differenzdrucks von bis zu 4 oder 5 at für das Hindurchtreiben der Flüssigkeit
durch die Mikroorganismenschicht vor allem dann weiter steigern läßt, wenn man die Mikroorganismenschicht
in ihrer Stärke und/oder Porosität derart einstellt, daß die Kontakt- oder Durchflußzeit in der
Größenordnung von Minuten bleibt.
Infolge der relativ hohen Drücke bzw. Differenzdrücke wird die Kontaktintensität zwischen den in der
Flüssigkeit enthaltenen Stoffen und den Enzymen der die Schicht bildenden Mikroorganismen, beispielsweise
Hefezellen, infolge besseren Durchdringens der semipermeablen Zellenmembranen der Mikroorganismen
beim Stoffaustausch und Enzymtranspoit stark gesteigert. Die unter Druck durch die engen,
noch offen gebliebenen Porenkanäle innerhalb des Mikroorganismen-sKuchens« hindurchströmende
Flüssigkeit umspült die ihrerseits unbeweglichen Grenzflächen mit einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit.
Durch den Druck und die relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich ei ή* Siei
der Reaktionen zwischen Geschwindigkeit, dem Substrat in der Flüssigkeit und den Enzymen der Mikroorganismen
wie Hefe. Bei einigen durchgeführten Versuchen zeigten sich überraschende Ergebnisse.
So konnte beispielsweise bei einem Gärversuch mit Bierhefe normale Bierwürze mit einem Extraktgehalt
von 11,87 % in einem einzigen Durchgang durch einen Hefezellenkuchen von etwa 15 bis 20 mm Stärke bis
auf einen scheinbaren Extraktgehalt von 2,8% vergoren werden.
Wenn man bedenkt, daß bei üblichen Gärverfahren zur Bereitung von Bier eine Kontaktdauer zwischen
Würze und Bierhefezellen in der Größenordnung von zumindest einer Stunde unbedingt erforderlich ist, läßt
sich der erzielte Fortschritt klar ermessen.
Eine einwandfreie und wissenschaftlich sicher belegbare Erklärung für die bei Anwendung des erfindungsgemaßen
Verfahrens erzielten vorteilhaften Ergebnisse kann zur Zeit noch nicht gegeben werden;
es besteht jedoch begründeter Anlaß zu der Annahme, daß der angewandte Druck und die verhältnismäßig
hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeit und Mikroorganismen eine zunächst nicht zu
erwartende Steigerung der Enzymwirkung der Mikroorganismen durch Steigerung des Stoffaustausches
durch die semipermeablen Zellwände ergeben und daß gleichzeitig mit dem schnellen Abführen der Reaktionsprodukte
auch gegebenenfalls an den Zellwänden der Mikroorganismen in Form von Gasbläschen
austretende Gase »abgespült« werden, so daß sie die Strömung an den Zellwänden und damit den
Stoffaustausch zwischen Flüssigkeit und Zelle ganz wesentlich weniger behindern als bei um Größenordnungen
kleineren Relativgeschwindigkeiten, wie sie beispielsweise durch sehr intensives Rühren einer Hefeaufschwemmung
zwischen der Flüssigkeit und den Hefezellen erzielbar sind.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für Enzymreaktionen, insbesondere für Gärvorgänge,
die in einer Mikroorganismenschicht im wesentlichen durch das Zusammenwirken der Ecto-
und Endoenzyme der Organismen der Schicht ausgelöst werden, empfiehlt es sich, die Stärke oder Dicke
der Mikroorganismenschicht in einer Größenordnung von 0,5 bis wenigen Zentimetern zu wählen und die
durch die Mikroorganismenschicht hindurchgetretene Flüssigkeit unter Bedingungen zu halten, bei denen
die Einwirkung der Enzyme, insbesondere der Ectoenzyme, abgeschlossen werden kann.
Um eine unerwünscht hohe Steigerung des zum Hindurchtreiben der Flüssigkeit durch die Mikroorganismenschicht
erforderlichen Druckes zu vermeiden, erweist es sich als zweckmäßig, der Mikroorganismenschicht
Auflockerungsstoffe, wie Biospäne, Asbestfasern und/oder Kieselgur beizumischen, um
den Durchflußwiderstand der Flüssigkeit durch die Mikroorganismenschicht zu verringern.
Der Durchflußwiderstand durch eine Mikroorganismenschicht und einen die Schicht abstützenden porösen
Stützkörper läßt sich unter anderem auch dadurch verringern, daß man einen grobporösen
Stützkörper verwendet und auf dessen zuflußseitiger Oberfläche zunächst eine dünne Schicht aus Kieselgur
oder einem anderen neutralen Filterhilfsmittel anschwemmt, ehe die Mikroorganismen ihrerseits auf
die nun eine Feinfilterschicht bildende Filtermaterial-Anschwemmung
angeschwemmt werden. In einem derartigen Fall ist auch die Entfernung einer »verbrauchten« oder durch Vermehrung der Mikroorganismen
ungenügend durchlässig gewordenen Schicht leicht möglich, indem man bekannte Rückspülverfahren,
z. B. mit stoßweisem hohem Rück-■" > spüldruck, anwendet, um die Schicht aus Mikroorganismen
und Kieselgur vom grobporösen Stützkörper »abzusprengen«.
Für derartige Arbeitsweisen sind besonders Anschwemmfilter mit einem elastisch verformbaren
ι <· grobporösen Träger der Feinfilterschicht zweckmäßig, beispielsweise Filter mit einer eng gewickelten Drahtwendel
aus einem elastischen Metall- oder Kunststoffdraht, auf die nach bekannten Anschwemmverfahren
eine Kieselgurschicht als eigentliche Feinfilter-'> schicht aufgebracht wird. Beim Rückspülen kann man
die Elastizität des Drahtes der Drahtspirale mit besonderem Vorteil für das Absprengen der Filterschicht
und der Mikroorganismenanschwemmung ausnutzen.
-'" Ein spezieller Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
in seiner Anwendung für die Herstellung von Bier ergibt sich dadurch, daß man durch das relativ
schnelle H'ndurchtreiben einer Bierwürze durch die Schicht von Hefezellen auf einem Stützträger einer-
J> seits eine sehr intensive Gärwirkung erzielen, andererseits die Vermehrung der in der Schicht befindlichen
Hefezellen - etwa durch Drosseln oder Sperren der Sauerstoffzugabe — mehr oder weniger stark
bremsen kann. Man vermeidet so eine relativ starke
in Hefevermehrung, die nach Ansicht zahlreicher Forscher
mit einer Bildung unerwünschter höherer Alkohole (Fuselöle) verbunden ist, selbst ungewöhnlich
hohen Gärtemperaturen von bis zu 40° C und darüber.
Γι Es konnte außerdem festgestellt werden, daß von
den in der Ausgangs-Bierwürze enthaltenen Protein-Bausteinen beim erfindungsgemäßen Verfahren ein
ganz wesentlich größerer Anteil in das Bier übergeht als bei üblichen Gärverfahren; dies gilt insbesondere
κι für wertvolle essentielle Aminosäuren.
Ein Beispiel mag dies näher erläutern: Es wurde Würze in einem einzigen Durchgang mit etwa 2 min
Durchflußzeit durch einen Bierhefekuchen von 15 bis 20 mm Dicke unter Anwendung eines Differenzdruk-
Π kes von 3 bis 4 at vergoren. Das aus dem Hefekuchen
abfließende Bier wurde untersucht; dabei ergaben sich folgende Werte:
| Dichte des Bieres bei 20° C (g/ml) | 1,01097 |
| Scheinbarer Extrakt (%) | 2,81 |
| Wirklicher Extrakt (%) | 4,15 |
| Alkohol (%) | 2,90 |
| Stammwürze (%) | 9,84 |
| Ausstoßvergärungsgrad, | |
| scheinbar (%) | 71,4 |
| Ausstoßvergärungsgrad, | |
| wirklich (%) | 57,8 |
| Endvergärungsgrad, scheinbar (%) | 78,5 |
| pH des Bieres | 4,87 |
| Farbe nach EBC und Brand | 6,9 bzw. 0,43 |
Ein auf diese Weise gewonnenes Bier enthält wesentlich mehr Aminosäuren als ein aus im wesentlichen
gleicher Würze, aber nach einem normalen Gärverfahren gewonnenes Euer. Die folgende Tabelle 2
zeigt einen Vergleich zwischen den Anteilen der essentiellen Aminosäuren in einem erfindungsgemäß
hergestellten und einem normalen Bier, wobei auch
der Gehalt der Würze an den entsprechenden Aminosäuren angegeben ist.
Essentielle Aminosäuren in Würze und Bier (mg/100 ml):
| in der | im erfin | im hc- | |
| Würze | dungs | kömmlich | |
| gemäß | hergestell | ||
| herge | ten Bier | ||
| stellten | (Ver | ||
| Bier | gleich) | ||
| Lysin | 10,8 | 7,8 | 3,3 |
| Tryptophan | 4,0 | 3J | Sp. |
| Phenylalanin | 15,0 | 12,4 | 8,8 |
| Leucin | 21,1 | 15,7 | 4,7 |
| Isoleucin | 9,2 | 6,8 | 3,0 |
| Threonin | 8,0 | 3,5 | nur Spuren |
| Methionin | 2,8 | 4,2 | nur Spuren |
Dieses überraschende Ergebnis läßt sich wahrscheinlich dadurch erklären, daß der Abbau der
Würze-Proteine durch die Proteine spaltenden Ectoenzyme während der relativ kurzen Durchflußzeit von
nur 2 Minuten noch nicht so weit beendet war, daß wesentliche Mengen der Protein-Spaltpro duktc von
den Hefezellen hätten aufgenommen werden können; es darf angenommen werden, daß die Wirkung der
als Proteinasen bzw. Peptidasen wirkende Ectoenzyme zu einem großen Teil erst nach dem Hinuurchtreten
der Flüssigkeit durch die Hefezellenschicht, d. h. im fertigen Bier, erfolgt, in dem sich wegen der
Filterung auf dem Staukörper keine Hefezellen und damit keine Verbraucher für die Protein-Spaltprodukte
mehr befinden.
Es sei noch erwähnt, daß der Geschmack eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Bieres
als durchaus annehmbar bezeichnet werden kann; es steht außerdem zu erwarten, daß hier noch erhebliche
Fortschritte gemacht werden können.
Bei Anwendung des Verfahrens für die Vermehrung oder Züchtung von Mikroorganismen ist die
oben beschriebene, bei Gärvorgängen vorteilhafte ungenügende Ausnutzung der Protein-Bestandteile
oder -Verbindungen eines Nährsubstrats nicht günstig; in diesen Fällen empfiehlt es sich, ein in üblicher
spezifischer Weise zubereitetes, proteinhaltiges Nährsubstrat, zweckmäßigerweise unter Zugabe von
Sauerstoff, zweimal oder mehrere Male durch die gleiche oder durch zwei oder mehrere Mikroorganismenschichten
nacheinander hindurchzutreiben. Dann können die Mikroorganismen der zweiten oder folgenden
Schicht auch diejenigen Peptide oder Peptidverbindungen aufnehmen, die von den Mikroorganismen
der ersten Schicht wegen der verhältnismäßig kurzen Verweilzeit nicht aufgenommen werden konnten.
Bei derartigen Züchtungs- oder Vermehrungsverfahren kann man auch die Kontaktzeit über mehrere
Minuten ausdehnen; für die angestrebte Wirkung kommt es im wesentlichen nur darauf an, unter Druck,
insbesondere einem so hohen Differenzdruck zu arbeiten, daß der Stoffwechsel durch die semipermcablen
Zellmembranen der Mikroorganismen in erheblichem Maße gesteigert und begünstigt wird.
Claims (7)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden Mikroorganismen
hoher Konzentration, bei dem die Flüssigkeit an fixierten Mikroorganismen vorbeigeleitet
wird, wobei man die Flüssigkeit durch eine Anschwemmung der Mikroorganismen auf wenigstens
einem porösen Körper und durch den porösen Körper hindurchleitet, dessen Porenweite so
bemessen ist, daß die Mikroorganismen im wesentlichen vollständig auf dem porösen Körper zurückgehalten
werden, der Durchtritt der zu behandelnden Flüssikgiet aber gestattet wird, nach
Anspruch 1 des Patents 1517814, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssigkeit unter
Anwenden eines Differenzdruckes von bis zu 4 oder 5 at mit einer Kontakt- oder Durchflußzeit
in der Größenordnung von Minuten durch die in ihrer Schichtstärke und/oder Porosität entsprechend
einzustellende Mikroorganismenschicht hindurchtreibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen bei der
Behandlung der - zumindest vorübergehend mit Sauerstoff oder Stickstoff versehenen - Flüssigkeit
Gase entwickeln und daß man durch Erhöhen des Differenzdruckes die Durchflußgeschwindigkeit
der Flüssigkeit durch die Mikroorganismenschicht auf einen Wert vergrößert, der ein frühzeitiges
»Abspülen« der sich an den Zellwänden der Mikroorganismen
bildenden Gasbläschen ergibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stärke oder Dicke
der Mikroorganismenschicht, in der die Enzymreaktionen im wesentlichen durch Ekto- und Endoenzyme
der Mikroorganismen der Schicht bewirkt werden, in der Größenordnung von 0,5 bis wenigen
Zentimetern wählt und die durch die Mikroorganismenschicht hindurchgetretene Flüssigkeit
unter Bedingungen hält, bei denen die Einwirkung der Ektoenzyme abgeschlossen werden
kann.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß man der Mikroorganismenschicht Auflockerungsstoffe wie Biospäne,
Asbestfasern und/oder Kieselgur beimischt, die den Durchflußwiderstand der Flüssigkeit
durch die Mikroorganismenschicht verringern.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung von
Bier, das im Vergleich zu üblichem Bier wesentlich größere Mengen essentieller Aminosäuren enthält,
eine normale, die üblichen Proteine enthaltende Würze mit einer ein Aufnehmen der Protein-Bestandteile
durch die Gärhefezellen der Mikroorganismenschicht nur in geringem Maße zulassenden Kontakt- und Durchflußzeit von nur ι
ungefähr 2 Minuten hindurchtreibt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß man ein in üblicher spezifischer Weise zubereitetes, proteinhaltiges
Nährsubstrat, gegebenenfalls unter Zugabe von Sauerstoff, zwei- oder mehrmals durch die
gleiche oder durch zwei oder mehrere verschie-
ganisffiCiVachivhicn nacheinander
hindurchtreibt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man ein rückspülbares
Anschwemmfilter mit elastischem, grobporösem Staukörper einsetzt, auf dem eine feinporöse
Filterschicht, etwa aus Kieselgur, als Unterlage für die Mikroorganismenschicht angeschwemmt
ist.
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| DE19702000292 DE2000292C3 (de) | 1970-01-05 | 1970-01-05 | Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von Flüssigkeiten mit enzymproduzierenden Mikroorganismen |
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