DE2118361B2 - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF LEMONIC ACID BY SUBMERSE FERMENTATION - Google Patents
PROCESS FOR THE PRODUCTION OF LEMONIC ACID BY SUBMERSE FERMENTATIONInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zitronensäure durch submerse Gärung vom kohlehydrathaltigem Material mit Hilfe des Schimmelpilzes Aspergillus niger in Gegenwart von Metallen. The invention relates to a process for the production of citric acid by submerged fermentation from Carbohydrate-containing material with the help of the Aspergillus niger mold in the presence of metals.
Es ist bekannt, daß Spurenmengen verschiedener Metalle, wie Eisen, Kupfer, Zink, einen wichtigen Effekt auf die Physiologie des im Gärprozeß verwendeten Organismus haben. Die Metalle bewirken nichi nur das Wachstum des Organismus, sonderen sie haben auch einen Effekt auf die aus dem verwendeten kohlehydrathaltigen Material erhaltene Ausbeute der Zitronensäure. Es ist bekannt, daß zwar Eisen für das Wachstum von Mikroorganismen einschließlich Aspergillus niger benötigt wird, die Gegenwart dieses Metalles jedoch einen sehr schädigenden Einfluß auf die erhaltene Zitronensäureausbeute ausüben kann, wenn sich dieses Metall im Gärmedium in größeren Mengen als in Spuren befindet. Es wurde verschiedentlich versucht, überschüssige Mengen dieses Metalles beispielsweise durch Ionenaustausch, Fällung oder komplexe Verfahren zu entfernen und dies auch bei der Anwendung von kohlehydrathaltigen Materialien, welche relativ geringe Mengen dieses Metalles enthalten. Außerdem wurde festgestellt, daß z. B. Kupfer oder Morpholine angewendet werden können, um den Wirkungen von überschüssigen Mengen an Eisen entgegenzuwirken.It is known that trace amounts of various metals such as iron, copper, zinc have an important effect on the physiology of the organism used in the fermentation process. The metals don't just do that Growth of the organism, but they also have an effect on the carbohydrate-containing substances used Material obtained yield of citric acid. It is known that although iron is responsible for the growth of Microorganisms including Aspergillus niger is needed, but the presence of this metal is one can exert a very damaging influence on the obtained citric acid yield if this metal is in the Fermentation medium in larger quantities than in traces. Various attempts have been made to remove excess To remove quantities of this metal, for example by ion exchange, precipitation or complex processes and this also applies to the use of carbohydrate-containing materials which contain relatively small amounts of this Metal included. It was also found that, for. B. copper or morpholines can be used can to counteract the effects of excess amounts of iron.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, bei dem eine Kontrolle des Spurenmetallgehaltes auf wirtschaftliche und bequeme Weise erreicht wird.The object of the invention is to avoid these disadvantages and to provide a method in which a Control of trace metal content is achieved in an economical and convenient manner.
Dies wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erzielt, daß die Gärung der, zumindest teilweise gereinigte, Kohlehydrate, beispielsweise durch Ionenaustausch gereinigten Zucker, enthaltenden Lösung, in Gegenwart von Edelstahl, welcher neben Eisen, Kupfer und Mangan zusätzlich die Komponenten Chrom, Nickel, Molybdän und Niob und/oder Titan enthält, durchgeführt wird.This is achieved according to the invention in a method of the type mentioned in that the Fermentation of the at least partially purified carbohydrates, for example purified by ion exchange Sugar, containing solution, in the presence of stainless steel, which in addition to iron, copper and manganese additionally contains the components chromium, nickel, molybdenum and niobium and / or titanium.
Hierbei wirkt der Edelstahl als Spurenelementgeber, wodurch eine optimale Konzentration von Spurenmelallen in der Gärmaische und damit eine hohe Zitronensäureausbeute erreicht wird.The stainless steel acts as a source of trace elements, creating an optimal concentration of trace melals in the fermentation mash and thus a high yield of citric acid is achieved.
Dieser Effekt ist überraschend, da es den herkömmlichen Praktiken entspricht, den Gebrauch von Edelstahl bei der Erzeugung von Zitronensäure zu vermeiden ίο oder zumindest den Kontakt zwischen der Gärlösung und dem Edelstahl auf ein Minimum zu beschränken, indem man die Gärbottiche z. B. mit Gummi beschichtet oder indem man Gärbottiche verwendet, die aus nicht eisenhaltigen Materialien, wie Titan, Aluminium oder Glas, hergestellt sind.This effect is surprising since it corresponds to the conventional practice, the use of stainless steel in the production of citric acid to avoid ίο or at least contact between the fermentation solution and the stainless steel to a minimum by keeping the fermentation vats z. B. coated with rubber or by using fermentation tanks made from non-ferrous materials such as titanium, aluminum or Glass.
Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich besonders rostfreie Stähle, die unter der Bezeichnung Stoff-Nr. 1.4505 oder Stoff-Nr. 1.4586 bekannt sind.For the method according to the invention, stainless steels are particularly suitable, those under the designation Substance no. 1.4505 or material no. 1.4586 are known.
Es ist vorteilhaft, wenn nach Zugabe der Nährlösung der pH-Wert auf etwa 2,8 eingestellt wird. Danach wird die Nährlösung zweckmäßigerweise sterilisiert bei Temperaturen von 1000C oder darüber. Nach ihrem Abkühlen wird der Edelstahl zugegeben, sofern nicht schon Teile der Konstruktion des Fernmenters, Leitungen oder Kühlschlangen oder der ganze Fermenter aus diesem Stahl gefertigt sind.It is advantageous if, after adding the nutrient solution, the pH is adjusted to around 2.8. Thereafter, the nutrient solution is expediently sterilized at temperatures of 100 ° C. or above. After it has cooled down, the stainless steel is added, unless parts of the construction of the remote fermenter, pipes or cooling coils or the entire fermenter are made of this steel.
Dann wird die Lösung mit den Sporen von Aspergillus niger beimpft und bei etwa 30-320C die Gärung durchgeführt. Die Ausbeuteverbesserung bei der submersen Gärung in Gegenwart des Edelstahles gegenüber einer Gärung ohne Metallzusatz zeigt zunächst das nicht unter optimalen Bedingungen ausgeführte Beispiel 1.Then, the solution is inoculated with the spores of Aspergillus niger and carried out the fermentation at about 30-32 0 C. The improvement in the yield in submerged fermentation in the presence of the stainless steel compared to fermentation without the addition of metal is initially shown by Example 1, which was not carried out under optimal conditions.
s5 B e i s ρ i e 1 1 s5 B eis ρ ie 1 1
Eine entkationisierte Zuckerlösung von 20% Gew./ Vol. wurde nach Zugabe von Nähirsalzen auf einen
pH-Wert von 2,8 eingestellt.
Je 80 ml der obengenannten Lösung wurden in 4 Schüttelkolben gebracht, im strömenden Dampf eine
halbe Stunde lang bei 1000C sterilisiert und auf 300C
abgekühlt. In 2 Schüttelkolben wurde je ein Stück sterilisierten rostfreien Stahls Stoff-Nr. 1.4505 (Versuch
c) und 1.4586 (Versuch d) mit einem Oberflächenverhältnis von 1,2 cm2/100 ml in die Zucker enthaltende Lösung
eingebracht. Die beiden anderen Schüttelkolben (Versuch a und b) wurden ohne Metallzusatz gelassen.A decationized sugar solution of 20% w / v was adjusted to a pH of 2.8 after addition of sewing salts.
80 ml each of the above-mentioned solution were placed in 4 shake flasks, sterilized for half an hour at 100 ° C. in the flowing steam and cooled to 30 ° C. A piece of sterilized stainless steel material no. 1.4505 (test c), and 1.4586 (test d) with a surface area ratio of 1.2 cm2 / 100 ml contained in the sugar solution is introduced. The other two shake flasks (experiments a and b) were left without added metal.
Alle 4 Kolben wurden mit einer Sporensuspension von Aspergillus niger beimpft und bei 30 -32°C etwa 12 Tage lang geschüttelt. Die Ergebnisse der Gärung zeigt die folgende Tabelle.All 4 flasks were inoculated with a spore suspension of Aspergillus niger and about 12 at 30-32 ° C Shaken for days. The results of the fermentation are shown in the table below.
Versuchattempt
Zusatz von
EdelstahlAddition of
stainless steel
Gärzeit in
TagenFermentation time in
Days
Zitronensäureausbeute in %Citric acid yield in%
Zu Vergleichszwecken wurden Versuche mit 2 verschiedenen (nicht erfindungsgemiißen) kupferfreien Stählen gemacht:For comparison purposes, tests were carried out with 2 different (not according to the invention) copper-free Steels made:
a) 11 Liter einer teilweise durch Ionenaustausch gereinigten Zuckerlösung mit einem Gehalt von 25% Gew./Vol. Zucker wurden nach Nährsalzzuga-a) 11 liters of one partially by ion exchange purified sugar solution with a content of 25% w / v. After adding nutrient salt, sugars were
be auf einen pH-Weri von 2,8 eingestellt, im strömenden Dampf bei 100uC sterilisiert, auf 30"C abgekühlt und unter sterilen Bedingungen in einen Glasfermenter von 150 mm Durchmesser und 1000 mm Höhe gebracht. Die Belüftung erfolgte durch ein Verteilerrohr am Boden des Fermenters. Der Fermenter enthielt ein Stück Edelstahl Stoff-Nr. 1.4541 mit einer Oberfläche von 131 cm-'. Die Gärlösung wurde bei 300C mit Aspergillus niger beimpft. Nach 14 Tagen Gärzeil wurden 614 g Zitronensäure krist. erhalten, das entspricht einer Ausbeute von 22,3%.be adjusted to a pH Weri of 2.8, sterilized by flowing steam at 100 u C, cooled to 30 "C and transferred under sterile conditions to a glass fermenter of 150 mm diameter and 1000 mm height. The aeration was carried out by a manifold at the bottom of the fermenter. the fermenter contained a piece of stainless steel material no. 1.4541 with a surface area of 131 cm- '. the fermentation broth was inoculated niger at 30 0 C with Aspergillus. After 14 days Gärzeil 614 g citric acid were crystalline. obtained, corresponding to a yield of 22.3%.
b) Die wie in a) behandelte Gärlösung wurde in einen, wie in a) beschriebenen Fermenter gebracht, der ein Stück Edelstahl nach Sioff-Nr. 1.4571 mit einer Oberfläche von 131 cm-' enthielt. Die Gärlösung wurde bei 300C mit Sporen von Aspergillus niger beimpft und gleichzeitig mit 11 mg Kaliumhexacyanoferrat-ll versetzt. Am 3. Tag wurden 6,6 mg, am 5. Tag 4,4 mg und am 8. Tag 3,3 mg Kaliumhexacyanoferral-ll zugesetzt. Nach 12tägiger Gärzeit wurden 1,254 g Zitronensäure krist. erhalten, entsprechend einer Ausbeute von 45,6%.b) The fermentation solution treated as in a) was placed in a fermenter as described in a), which had a piece of stainless steel according to Sioff no. 1.4571 with a surface area of 131 cm- '. The fermentation broth was inoculated niger at 30 0 C with spores of Aspergillus and at the same time with 11 mg of potassium hexacyanoferrate-II was added. On the 3rd day 6.6 mg, on the 5th day 4.4 mg and on the 8th day 3.3 mg potassium hexacyanoferral-II were added. After a fermentation time of 12 days, 1.254 g of citric acid crystallized. obtained, corresponding to a yield of 45.6%.
Die wie in Versuch a) und b) von Beispiel I behandelte Gärlösung wurde in einen wie in Versuch a) beschriebenen Fermenter gebracht, der ein Stück Edelstahl nach Stoff-Nr. 1.4505 mit einer Oberfläche von 131 cm2 enthielt. Dann erfolgte Beimpfung mit Sporen von Aspergillus niger. Die Gärung wurde dann nach 10 Tagen beendet. Es wurden 2,456 g Zitronensäure krist. erhalten, entsprechend einer Ausbeute von 89,3%.The fermentation solution treated as in experiments a) and b) of example I was placed in a fermenter as described in experiment a) which contained a piece of stainless steel according to material no. 1.4505 with a surface area of 131 cm 2 . Then inoculation with spores of Aspergillus niger took place. Fermentation was then ended after 10 days. 2.456 g of citric acid were crystallized. obtained, corresponding to a yield of 89.3%.
Stoff-Nr. 1.4505 bzw. 1.4506, welches eine Gcsamtoberfläche von 0,6 cm- aufwies, gehängt. Neun Tage nach der Beimpfung wurde jeweils die Zitroiiensäurcausbeute, bezogen auf eingesetzte Saccharose, bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle Il zusammengefaßt.Substance no. 1.4505 or 1.4506, which had a total surface of 0.6 cm, hung. Nine days after the Inoculation, the citric acid yield, based on the sucrose used, was determined in each case. the The results are summarized in Table II.
Zusammensetzung des
to NährmediumsComposition of
to nutrient medium
Saccharose*), g/l
KH2PO4, g/l
MgSO·* · 7 H2O, g/l
NH4NO3, g/l
HCI auf pHSucrose *), g / l
KH2PO4, g / l
MgSO * 7 H2O, g / l
NH4NO3, g / l
HCI to pH
Edelstahlzusatz·*)
Stoff-Nr. 1.4505
Stoff-Nr. 1.4506Stainless steel additive *)
Substance no. 1.4505
Substance no. 1.4506
20 Aspergillus-niger-Stamm
ATCC 12 845
ATCC 11414 20 Aspergillus niger strain
ATCC 12 845
ATCC 11414
Ausbeute in % an Zitronensäure aus je 5 Parallelversuchen Yield in% of citric acid from 5 parallel tests each
93,6 92,9 91,2 92,293.6 92.9 91.2 92.2
rr
Die wie in den vorangegangenen Beispielen behandelte Gärlösung wurde in einen wie in Versuch a) beschriebenen Fermenter gebracht, der mit einem Stück Edelstahl Stoff-Nr. 1.4586 mit einer Oberfläche von 131 cm2 versehen war. Nach Beimpfung mit Sporen von Aspergillus niger wurde die Gärmaische am 1. Tag mit 11 mg Kaliumferrocyanid versetzt, am 5. Tag mit 3,3 mg und am 7. Tag mit 2,2 mg. Nach lOtägiger Gärzeit Tabelle III wurden 2,480 g Zitronensäure krist. erhalten, entsprechend einer Ausbeute von 90,18%.The fermentation solution treated as in the previous examples was placed in a fermenter as described in experiment a), which was equipped with a piece of stainless steel material no. 1.4586 was provided with a surface area of 131 cm 2 . After inoculation with Aspergillus niger spores, 11 mg potassium ferrocyanide was added to the fermentation mash on the 1st day, 3.3 mg on the 5th day and 2.2 mg on the 7th day. After a fermentation time of 10 days, Table III, 2.480 g of citric acid crystallized. obtained, corresponding to a yield of 90.18%.
In den Versuchen nach den Beispielen 1 bis 3 wurde der Aspergillus-niger-Stamm »Van Thiegem citric acid strain ATCC 1015« verwendet.In the experiments according to Examples 1 to 3, the Aspergillus niger strain »Van Thiegem citric acid strain ATCC 1015 «is used.
Konsumaicker EWG, Kategorie Il 0,3cm2/100 ml LösungKonsumaicker EEC, category Il 0.3 cm 2/100 ml solution
Zum Beweis dafür, daß der Zusatz von Kaliumferrocyanid in Beispiel 3 nicht für das gute Ergebnis verantwortlich ist, wurde, wie in den Versuchen a) —d) von Beispiel 4 angegeben, vorgegangen und unter Einsastz des Aspergillus-niger-Stammcs ATCC 12845 die Gärung durchgeführt. Dem Gärmedium wurde im Versuch a) gemäß Tabelle III zum Zeitpunkt der Beimpfung Kaliumferrocyanid in einer Menge entsprechend 0,7 ppm und aufgrund mikroskopischer Beobachtung des Mycclwachstums nach 24 Stunden weitere 0,5 ppm und nach 72 Stunden Gärzeit nochmals 0.3 ppm zugesetzt. Im Vergleichsversuch b) von Tabelle III wurde kein Kaliumferrocyanid verwendet.To prove that the addition of potassium ferrocyanide in Example 3 is not for the good result is responsible, as indicated in experiments a) -d) of Example 4, proceeded and under The fermentation was carried out using the Aspergillus niger strain ATCC 12845. The fermentation medium was im Experiment a) according to Table III at the time of inoculation of potassium ferrocyanide in an amount corresponding to 0.7 ppm and on the basis of microscopic observation of the myccl growth after 24 hours more 0.5 ppm and after 72 hours of fermentation time a further 0.3 ppm was added. In comparative experiment b) of Table III no potassium ferrocyanide was used.
Die in Tabelle II angegebenen Nährlösungen wurden mit den Aspergillus-niger-Stämmen ATCC 12845 und ATCC 11414 beimpft. Das Nährmedium befand sich jeweils in 500 ml (mit einem Baumwollwatteverschluß versehenen) Erlenmeyerkolben, welche bei einer Temperatur von 25CC auf einem Kreisschüttler geschüttelt wurden (Exzentrizität 3 cm, 280 UpM). In jeden der Kolben wurde ein Stück Stahlblech aus dem EdelstahlThe nutrient solutions given in Table II were inoculated with the Aspergillus niger strains ATCC 12845 and ATCC 11414. The nutrient medium was in each case in 500 ml Erlenmeyer flasks (fitted with a cotton wadding cap), which were shaken on an orbital shaker at a temperature of 25 ° C. (eccentricity 3 cm, 280 rpm). A piece of sheet steel made of stainless steel was placed in each of the flasks
5555
b0 Aspergillus-niger-Stamm
ATCC 12 845 b0 Aspergillus niger strain
ATCC 12 845
Ausbeute in % an Zitronensäure
aus je 5 ParallelversuchenYield in% of citric acid
from 5 parallel experiments each
90,890.8
+ 92,7+ 92.7
IV
nensetzung der in den Beispielen verwendeten Stähle:IV
Definition of the steels used in the examples:
MnMn
MoMon
CuCu
andereother
<0,07% <0,07%<0.07% <0.07%
0,07%0.07%
1,0%1.0%
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