DE2063030B2 - Antischaummittel und deren anwendung - Google Patents

Description

Bei Durchführung der belüfteten Fermentationsprozesse tritt in fast allen Fällen Schaumbildung auf, die im Laufe der Fermentation verhindert werden muß.

Das Wesen der chemischen Schaumbekämpfung besteht darin, daß das Antischaummittel die in den Lamellen des entstandenen Schaums gebildete, geordnete, monomolekulare Schicht zerstört und sich auf der Grenzfläche anreichert, aber nicht fähig ist, eine neue, geordnete, monomolekulare Filmschicht auszubilden.

Die Schäume stellen nach der klassischen Auffassung der physikalischen Kollidchemie disperse Systeme dar, in denen der disperse Teil gasförmig, das Dispersionsmittel jedoch flüssig ist.

Die in der Fermentationsindustrie auftretenden Schäume mit gewöhnlich sehr stabilen Schaumstrukturen sind aber wesentlich komplizierter als die weiter oben beschriebenen Systeme, da das Dispersionsmittel eine Emulsion, Suspension bzw. auch ein fester Stoff sein kann.

Bei den belüfteten Fermentationsverfahren entstehen die Schäume infolge des Rührens und der Belüftung bzw. der Wirkung von oberflächenaktiven Mitteln, die die Oberflächenspannung herabsetzen.

Die Mittel, die die Oberflächenspannung herabsetzen, bilden sich in dem Nährboden bereits während der Sterilisierung und dann auch während des fermentativen Stoffwechsels.

Die Schaumbildung während der Fermentation muß verhindert werden, da sie

1. den Nutzinhalt des Fennenters verringert,

2. die Entfernung des Kohlendioxyds aus der Fermentationsbrühe erschwert und

3. den Wirkungsgrad des Rührens herabsetzt.

Diese Überlegungen zeigen, daß ein gutes Antischaummittel für die fermentative Industrie, das die Wirtschaftlichkeit der Fermentationsverfahren verbessert, für diesen Industriezweig von sehr großer Bedeutung ist. - -

Mit der Verwendung eines solchen Antischaummittels sind die folgenden Vorteile verbunden:

a) effektive Kostenersparnis bei der Verwendung des Antischaummittels,

b) Erhöhung der Fermentationseinheitszahl durch Verhinderung der Bildung eines Ölfilms und damit Verbesserung des Sauerstoffübergangsfaktors. (Nach den zahlreichen Vorveröffentlichungen auf diesem Gebiet setzen die üblichen Antischaummittel, wie z. B. die pflanzlichen und tierischen Fette, das Silikonöl usw. den Wert des Sauerstoffübergangsfaktors in starkem Maße herab. Die Ursache dafür wird in der Bildung eines den Schaum verhindernden Filmes an der Grenzfläche zwischen Luft und Fermentationsbrühe gesehen. Dies hat häufig eine 30- bis 40°/oige Verringerung des Sauerstoffübergangsfaktors zur Folge.)

c) Verbesserung der Filtrier- bzw. Aufarbeitbarkeit der Fermentationsbrühe und damit Kostenersparnis bei der Isolierung und Reinigung des gewünschten Produktes,

d) Verbesserung der Raumausnutzung des Fermenters und damit Verbesserung wirtschaftlicher Ausnutzung des Fermenters,

e) völliger oder teilweiser Fortfall des arbeitsintensiven Teils des Fermentationsverfahrens infolge der weitgehenden bzw. der völligen Verhinderung der Schaumbildung. (Bei Schaumbildung erfordern deren Beobachtung und die notwendigen Maßnahmen eine ständige Aufsicht während des Fermentationsverfahrens.) Außerdem erübrigt sich der Einsatz teuerer, automatischer Einrichtungen für die Zufuhr von Antischaummitteln.

Als Antischaummittel werden in der Literatur Sonnenblumenöl, Palmöl, Leinöl und Schweinefett vorgeschlagen. Es wird weiterhin erwähnt, daß auch das Propylenglykol eine schaumverhütende Wirkung hat. (App. Microbiol. 3. 253 [1955]; Chem. Ing. 63. 173 [1956]; Rend. Ist. Superiore die Sanita 17. 149 [1954]; Biochem and Microbiol. Techn. and Ing. 2. [I960]; J. gen. Microbiol. 8. 265 [1953]; Dr. Magyar K ä r ο 1 y: Fermentation müvelettan[Tankönyvkiado, S. 37 bis 40]).

Die bekannten Antischaummittel weisen aber die oben aufgezählten Vorteile nur teilweise und außerdem zahlreiche Nachteile auf (z. B. üben sie ihre Wirkung nur in relativ großen Konzentrationen relativ langsam aus, und die Wirkung hält nicht genügend an).

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß ein aus Polypropylenglykol und mindestens einem aus einer Alkylen- und/oder Alkylenoxy-Kette und gegebenenfalls hydrophile Gruppen enthaltenden Polymer oder Copolymer — das an sich keine Antischaumwirkung besitzt — bestehendes System einen überraschenden Effekt aufweist und an Aktivität die der klassischen Schaumbekämpfungsmittel um Größenordnungen übertrifft.

Die überraschend gesteigerte Wirkung des Antischaummittels der Erfindung besteht darin, die Struktur des — zwischen den an den Grenzoberflächen angereicherten und die Schaumbildung fördernden kapillaraktiven Mitteln — eingebauten Antischaummittels zu verdichten und durch die Bildung von Wasserstoffbindungen stabiler zu machen. Diese

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Struktur wird durch die richtige Wahl der sowohl c) sie sind weder verbrennungs- und feuergefährlich,

hydrophile wie auch hydrophobe Teile enthaltenden _{d) sie verursachen keine} Korrosion,
Kettenpolymere und der Konzentrationsverhaltnisse

erreicht. Es gibt also sowohl grundsätzlich wie auch e) sie können unbegrenzt gelagert und ohne Zerpraktisch eine Möglichkeit, in jedem fermentativen, 5 Setzung auch mehrmals der Thermosterilisierung dispersen oder difformen System mit Hilfe von ent- unterworfen werden,
sprechend ausgewählten Komponenten Gemische mit f) _sj_{e s}j_nci leicht zugänglich und billig,
einer optimalen Antischaumwirkung die Anreicherung . ...,..„,., . ... ~
der die Schaumbildung fördernden Mittel an der δ) ^sie »^bf.^{n lhre Wl}*»*8 ZT^-T^l 5°"" Grenzoberfläche zu verhindern bzw. die die geordnete »o zentration aus, und die Wirkung ist dauerhaft.

Struktur der auftretenden kapillaraktiven, oberflächen- . _t .

aktiven Schichten zu zerstören. Bei Durchführung von Fennentat,onsyerfahren ver-

Tn der Praxis ist es jedoch ausreichend, wenn nur schiedenen Typs (bakteriellen und mize hschen) konfür einige der wichtigstem Fermentationstypen die ^ne,ⁿ außer den erwähnten allgemeinen Vorteilen noch Gemische, die den überraschenden Effekt gewähr- i₅ folgende Vorte,le erzielt werden:
leisten, experimentell bestimmt werden (z. B. für _a) 15. bis 30°/„ige Erhöhung der Einheitszahl,
dichte, thixotrope, von dem newtonischen, rheolo- . . , „
gischen Verhalten im bedeutenden Maße abweichende, ^b) Beschleunigung der Filtrierbarkeit der Fermenmizellische Fermentationen; für Fermentationsbrühe tationsorune,

mit geringerer Viskosität und dünneren Mizellen und 20 c) dient das klassische Antischaummittel auch als

für annähernd izodimensionale Mikroorganismen ent- Nährboden (wie z. B. das Palmöl, Sonnenblumenöl

haltende, bakterielle Fermentationen). oder Schweinfett bei der fermentativen Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Antischaummittel auf der von Oxytetracyclin), so ist der Fortfall der pflanz-

Basis von Polypropylenglykol, das dadurch gekenn- liehen bzw. tierischen Fette nicht nur mit einem

zeichnet ist, daß es als Zusatzkomponente mindestens «5 Rückgang der Einheitszahl verbunden, da die

ein aus einer Alkylen- und/oder Alkylenoxy-Kette Verbesserung des Sauerstoffübergangsfaktors und

bestehendes, gegebenenfalls hydrophile Gruppen ent- die günstigeren Rührverhältnisse die wegen der

haltendes Polymer oder Copolymer mit einem Poly- Verminderung der Nährboden-Konzentration er-

merisationsgrad von 2 bis 30 enthält, wobei die hydro- warteten Senkung der Einheitszahl kompensieren, philen Gruppen Carboxy-, Carbonsäureester-, Carbon- 30

säureamid-, Hydroxy- oder Alkoxygruppen darstellen Weitere Einzelheiten des Verfahrens sind den Bei-

und der Polypropylenglykolgehalt 25 bis 50 °/o beträgt. spielen zu entnehmen.

Vorzugsweise beträgt der Polypropylenglykolgehalt 1. Zu einer Oxytetracyclin-Fermentation mit einem

30 bis 35°/₀. Nährboden, in dem zuvor 0,5 °/₀ Palmöl sterilisiert

Handelt es sich bei den hydrophilen Gruppen der 35 worden war, wurden 0,12 Volumprozent — auf das Polymere bzw. Copolymere um Carbonsäureester, so Fermentationsmedium berechnet — eines schaumkönnen deren Alkylgruppen geradkettige oder ver- bildungsverhindernden Gemisches innerhalb von zweigte, 1 bis 22 Kohlenstoff atome enthaltende Koh- 24 Stunden zugegeben (Zusammensetzung: 50°/₀ PoIylenwasserstoffgruppen sein. Handelt es sich bei den propylenglykol, 50°/₀ mit Wasser verdünnte Polyhydrophilen Gruppen um Alkoxygruppen, so ent- *o acrylsäure mit einem Polymerisationsgrad von 8 bis halten deren Alkylgruppen vorzugsweise 1 bis 5 Koh- 12). Die Einheitszahl des Wirkstoffes stimmte bei lenstoffatome. gleicher Fermentationsdauer mit den entsprechenden

Als Polymere können besonders vorteilhaft Poly- Werten des Kontrollversuchs überein. Beim Kontroll-

acrylsäure und/oder deren Salze, Polyacrylsäureamid, versuch war als Schaumbekämpfungsmittel außer dem

Polyäthylenglykol, Polyäthylen oder Polyäthylengly- 45 in dem Nährboden sterilisierten 0,5 °/₀ Palmöl noch

kol-Fettsäureester verwendet werden. 3,4 % Palmöl — auf das Fermentationsmedium be-

Die Antischaummittel der Erfindung können bei zogen — verwendet worden.

irgendwelchen Fermentationsverfahren verwendet wer- 2. Bei Nystatin-Fermentation wurde das Anti-

den. Von den zahlreichen Anwendungsgebieten sollen schaummittel in einer Menge von 0,02 Volumprozent

nur die folgenden erwähnt werden: die fermentative 50 — auf das Fermentationsmedium berechnet — ver-

Herstellung von Tetracycline^ Penicillinen, Nystatin, wendet. Das Antischaummittel hat folgende Zusam-

Bacitracin, Streptomycin, Neomycin und Fumagilin, meDsetzung: 33,3% Polyäthylenglykol-Fettsäureester

die Bio-Oxydationen, Enzym-Fermentationen, Mutter- mit Polymerisationsgrad 6, 33,3 % mit Wasser auf den

korn-Fermentationen usw. sechsfachen Wert verdünnte Polyacrylsäure mit einem

Die Antischaummittel der Erfindung können in be- 55 Polymerisationsgrad von 8 bis 12 und 33,3% PoIy-

liebiger Phase des Fermentationsverfahrens dem propylenglykol. Beim Kontrollversuch wurden 1,5%

System zugesetzt werden. Sonnenblumenöl verbraucht. Die Einheitszahl des

Die neuen, sehr wirkungsvollen Antischaummittel Wirkstoffs war um 10 % höher als der entsprechende

der Erfindung zeigen die weiter oben erwähnten tech- Wert des Kontrollversuchs.

nologischen und wirtschaftlichen Vorteile nicht nur in 60 3, Zu einer Bacitracin-Fermentation wurden 0,06 Vo-

einem wesentlich stärkerem Maße als die bisher lumprozent eines überraschend wirkenden Antischaum-

bekannten Antischaummittel, sie besitzen auch die mittelgemisches zugefügt (Zusammensetzung: 66,6%

von Antischaummitteln verlangten grundlegenden Polyacrylsäureamid in einer 3%igen wäßrigen Lösung,

Eigenschaften: Polymerisationsgrad 6 bis 8 und 33,3% Polypropylen-

. _o. . , ..... ,, .„ .„... . 65 glykol). Bei den Versuchen konnte eine 25-bis 30%ige

a) Sie sind volhg gesundheUsunschadhch, Ausbeuteerhöhung der Antibioticumproduktion, ver-

b) sie sind nützlichen Mikroorganismen gegenüber glichen mit den Kontrollversuchen, erreicht werden, völlig untoxisch, Der Palmölverbrauch des Kontrollversuchs betrug

sowohl beim Fermenter im Laboratoriumsmaßstab wie auch im halbbetrieblichen Maßstab 3,5 %, auf das Volumen der Fermentationsbrühe bezogen. Bei Verwendung von Polypropylenglykol allein als Antischaummittel betrug die Antischaurnmittelmenge das dreifache der Menge, die von dem überraschend wirksamen Antischaummittel erforderlich war.

4. 0,04 Volumprozent überraschend wirksames Antischaummittelgemisch wurden im Bacitracin-Nährboden sterilisiert. Zusammensetzung: 33,3% Polyäthylenglykol-Fettsäureester mitPolymerisationsgrad 6,33,3 °/₀ mit Wasser auf den sechsfachen Wert verdünnte Polyacrylsäure mit einem Polymerisationsgrad von 8 bis 12 und 33,3 % Polypropylenglykol. Während der gesamten Fermentation trat keine Schaumbildung auf. Die Einheitszahl des Wirkstoffes überstieg um 25 bis 30% den entsprechenden Wert des Kontrollversuchs. Der PaltnöJverbrauch des Kontrollversuchs lag zwischen 3,5 bis 4% — auf das Volumen der Fermentationsbrühe bezogen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Antischaummittel auf der Basis von PoJypropylenglykol, dadurch gekennzeichnet, daß es als Zusatzkomponente mindestens ein aus einer Alkylen- und/oder Alkylenoxy-Kette bestehendes, gegebenenfalls hydrophile Gruppen enthaltendes Polymer oder Copolymer mit einem Polymerisationsgrad von 2 bis 30 enthält, wobei die hydrophilen Gruppen Carboxy-, Carbonsäureester, Carbonsäureamid-, Hydroxy- oder Alkoxy-Gruppen darstellen, und der Polypropylenglykolgehalt 25 bis 50 °/o beträgt.

2. Antischaummittel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als Zusatzkomponente Polyacrylsäure und/oder deren Salze, PoIyacrylsäureamid, Polyäthylenglykol, Polyäthylenglykol-Fettsäureester oder Polyäthylen enthält.

3. Antischaummittel gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polypropylenglykolgehah 30 bis 35% beträgt.

4. Verwendung von Antischaununitteln gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Verhinderung der bei Gärverfahren auftretenden Schaumbildung.