DE2357119C3 - Verfahren zur Herstellung eines stabilen L-Lysin-Konzentrats mit hohem Gehalt an essentiellen Biofaktoren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines stabilen L-Lysin-Konzentrats mit hohem Gehalt an essentiellen Biofaktoren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stabilen L-Lysin-Konzentrats mit hohem Gehalt an essentiellen Biofaktoren als Zusatz zu Nahrungs- und Futtermitteln durch Autolyse fermentierter Kulturflüssigkeiten L-Lysin produzierender Mikroorganismen.
Unter dem Begriff essentielle Biofaktoren werden in erster Linie Aminosäuren insbesondere Lysin, ferner Vitamine, insbesondere Vitamine der B-Gruppe, Hormone, Enzyme und weitere, nicht definierbare Faktoren verstanden, die insbesondere für Nahrungs- und Futterzwecke von Bedeutung sind.
Unter fermentierten Kulturflüssigkeiten werden wäßrige behandelte oder unbehandelte Lösungen verstanden, die Aminosäuren oder/und Vitamine sowie gegebenenfalls die übrigen genannten Stoffe enthalten und von der Kultivierung L-Lysin produzierender Mikroorganismen herrühren.
Die rationelle Viehzucht auf der Basis ausgewogener Futtergemische mit Zusatz von Vitaminen, Antibiotika und Aminosäuren hat in erster Linie vorteilhafte und zugängliche Grundrohstofte zur Voraussetzung. Wachsende Aufmerksamkeit wird insbesondere den Eiweißstoffen und ihren Quellen gewidmet, die Nährstoffe von grundlegender Bedeutung für den Organismus sind, sich nicht durch andere Nährstoffe ersetzen lassen und deren Bedarf proportional zu den steigenden Anforderungen der Weltbevölkerung an Eiweißnahrung wächst.
Die Untersuchung der biologischen Bedeutung der Eiweißstoffe und entsprechende Ergebnisse aus den letzten Jahren insbesondere bezüglich des Bedarfs an einzelnen Aminosäuren, die dem lebenden Organismus in zugänglicher Form zugeführt werden müssen, haben ergeben, daß von den 10 bis 13 sogenannten essentiellen Aminosäuren in Futtermitteln in der Regel zwei, und zwar Methionin und Lysin, fehlen.
Es wurde ferner festgestellt, daß einige Aminosäuren durch ihre Wirkung gewissermaßen andere Aminosäuren ersetzen können, wenn letztere in dem Futtergemisch in unterschwelligen Konzentrationen enthalten sind oder sogar fehlen. In Futergemischen muß die Anwesenheit eines Komplexes von Aminosäuren in Betracht gezogen werden. Hiervon wurden am gründlichsten 10 Aminosäuren studiert und quantitativ ausgewertet, und .-.war Arginien, Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin, überwiegend in der L-Form.
Die größte technische Bedeutung haben biosynthetische Verfahren zur Herstellung von Aminosäuren, vor allem von L-Lysir, mit Hilfe von geeigneten Mikroorganismen, insbesondere Corynebacterium oder Brevibacterium, in einem flüssigen Medium, das Quellen
ίο assimilierbaren Kohlenstoffs und Stickstoffs und Mineralnährstoffe enthält Diese allgemein bekannte Herstellungsweise wurde durchgreifend untersucht
Die Gewinnung von reinem kristallinen L-Lysin ist in industriellen Maßstab eingeführt; dabei werden je nach der angewandten Isolierungstechnik Ausbeuten um 70 ± 10% (bezogen auf den L-Lysingehalt in fermentierten Böden nach Beendigung der Kultivierung) erzielt. Die Verluste von 20 bis 40% L-Lysin sowie von weiteren wertvollen Komponenten, zu denen es während der Isolierung des reinen kristallinen Produkts kommt, sind wirtschaftlich so erheblich, daß man mit mehr oder weniger Erfolg versucht hat, diese Verluste zu vermindern.
Die prinzipielle Schwierigkeit, an der Versuche zur Lösung dieses Problems etwa durch Trocknen des fermentierten Nährbodens zu technischen Präparaten gescheitert sind, besteht darin, daß das erzeugte Produkt beträchtlich hygroskopisch und nicht stabil ist, so daß es feucht wird, zerfließt und nicht lagerfähig ist,
jn was seine Anwendung bei der industriellen Produktion von Futtergemischen praktisch unmöglich macht.
Eine gewisse Verbesserung bringt die Herstellung eines technischen L-Lysinkonzentrats, bei der man das Mycel [bei pH 5,5 bis 6,5 durch Filtration] aus dem
j5 fermentierten Boden entfernt, das Filtrat auf Vs bis Vi2 des Ausgangsvolumens einengt und die eingeengte Lösung nach Einstellung des pH-Werts auf 4 bis 5 durch Trocknen auf einer Walzen- oder Sprühtrockenanlage vom Wasser befreit. Die durch die Anwesenheit von nicht verbrauchten Zuckerresten bedingte Hygroskopizität dieses Produktes wird im weiteren durch Zusatz von Stoffen, die Komponenten der Futtergemisch bilden können, wie Kleie, Futtermehl u. ä. oder von Stoffen, die Wasser zu binden vermögen, wie wasserfreies Calciumsulfat, Natriumsulfat- oder -carbonat, beseitigt Jedoch liefert auch dieses Verfahren kein genügend stabiles Produkt und wurde deshalb nicht fabrikmäßig angewandt. Im übrigen ist dieses Verfahren auch vom wirtschaftlichen Standpunkt aus nicht
so vorteilhaft, da beim Filtrieren des fermentierten Bodens bis zu 30% Verlust an Wirkstoff auftreten.
Aus der DE-AS 19 14 418 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zusatzes zu Hundefutter durch alkalische Autolyse von Hefe bekannt, bei dem die Autolyse in einem pH-Bereich von 12 bis 13 durchgeführt wird, um ein verhältnismäßig bakterienfreies Hydrolysat zu erhalten.
In der DE-OS 14 92 866 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Futtermitteln auf mikrobiologischem
to Wege angegeben, bei dem dem Kulturmedium vor oder nach der Beimpfung Nährsalze und Nährelemente zugesetzt werden. Ferner ist angegeben, daß das so hergestellte Produkt der Autolyse oder einer anderen eiweißabbauenden Behandlung, also einer Proteolyse,
b5 unterworfen werden kann, wozu jedoch nähere Angaben fehlen.
Die genannten Nachteile und Mangel werden durch das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines stabilen L-Lysin-Konzentrats mit hohem Gehalt an essentiellen Biofaktoren als Zusatz zu Nahrungs- und Futtermitteln durch' Autolyse fermentierter Kulturflüssigkeiten L-Lysin produzierender Mikroorganismen ist dadurch gekennzeichnet, daß die unfiltrierte Nährflüssigkeit einschließlich Biomasse bei pH 6,0 bis 8,0, vorzugsweise 7,2 bis 7,5, der Thermolyse bei 55 bis 1200C unter gleichzeitiger oder nachträglicher Wasserverdampfung unterworfen wird.
Die Thermolyse führt man zweckmäßig nach Zusatz von 0,001 bis 0,1 Gew.-% eines proteolytischen Enzyms, bezogen auf die Gewichtsmenge des wäßrigen Ausgangssubstrats, durch. Diese Maßnahme ist nicht unbedingt notwendig, aber in solchen Fällen zweckmäßig, wo einem übermäßigen Schäumen vorzubeugen ist, insbesondere in den Anfangsphasen der Thermolyse.
Das wäßrige Ausgangssubstrat iäßt sich durch Abdampfen von Wasser zu einem Endkonzentrat mit einem Trockensubstanzgehalt von 20 bis 100% verarbeiten, wobei man vor, während oder nach Beendigung der Wasserverdampfung ein Konservierungs- oder/und Stabilisierungsmittel zusetzen kann. Wenn notwendig lassen sich zu diesem Zwecke ein oder mehrere physiologisch unschädliche Stoffe, die den pH-Wert des Endkonzentrats auf 3,0 bis 6,5 einstellen, verwenden.
Das Endkonzentrat kann ferner noch mit einer physiologisch unschädlichen Trägersubstanz vermischt und gegebenenfalls getrocknet werden. Als physiologisch unschädliche Trägersubstanz läßt sich beispielsweise expandierter Perlit, Holzmehl, gegebenenfalls ein Glyzid- und/oder Eiweißfuttermittel wie Kleie und/oder Heumehl und/oder Futtermehl und/oder Getreideschrot verwenden.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der fermentierte Nährboden ohne Filtrieren und ohne weitere Behandlung — außer eventuellem Einstellen des optimalen pH-Wertes — beispielsweise nach und nach auf eine Temperatur über 900C, gegebenenfalls bis zum Siedepunkt erhitzt, und zwar am besten direkt im Fermentationstank oder aber auch in einem anderen geeigneten offenen oder geschlossenen Gefäß.
Nach diesem Erhitzen erfolgt die Wasserverdampfung aus dem fermentierten Boden, und zwar zweckmäßig nach Zusatz eines geeigneten Antischaummittel wie z. B. eines Silikonöls, gegebenenfalls einer möglichst geringen Menge eines proteolytischen Enzyms, das dieselben Wirkungen hat, und zwar insbesondere in der Anfangsphase der Verdampfung, in der die Flüssigkeit beträchtlich schäumt. Die Verdampfung kann unter atmosphärischem, erhöhtem oder vermindertem Druck durchgeführt werden, den man so einstellt, daß die verdampfende Flüssigkeit eine Mindesttemperatur von 55 ± 5°C aufweist Hiervon kann eine beliebige Verdampfungsanlage verwendet werden.
Im Verlaufe der Thermolyse und der nachfolgenden Wasserverdampfung kommt es zu einer Zersetzung der suspendierten organischen Sodenkomponenten, vor allem der Biomasse, so daß nach Verdampfung der erforderlichen Wassermenge ein Konzentrat in Form einer viskosen rotbraunen Flüssigkeit vorliegt, die alle essentiellen Komponenten, insbesondere Aminosäuren und Vitamine, enthält, die teils durch Biosynthese während der Fermentation gebildet wurden, teils als neue Komponenten durch Thermolyse von suspendierten festen Komponenten entstanden sind. Eine Zerstörung der Wirkstoffe, eine Verminderung ihres Gehaltes durch Inaktivierung oder andere ungünstige Erscheinungen wurden im Verlaufe der Thermolyse nicht beobachtet.
Die Reaktionskinetik der Thermolyse verläuft unter gegebenen Bedingungen rascher als die eigentliche Verdampfung des überschüssigen Wassers bei der Konzentrierung der Wirkstoffe. Bereits nach Eindampfen auf etwa die Hälfte des ursprünglichen Volumens resultiert «ine Flüssigkeit ohne sichtbare suspendierte
ίο Teilchen.
Das auf obige Weise hergestellte L-Lysin-Konzentrat mit hohem Gehalt an essentiellen Biofaktoren stellt das Endprodukt dar, das sterilisiert und bereits von sich aus eine gewisse Zeit stabil und in flüssiger oder
is halbflüssiger Form transport- und lagerfähig ist Wird mit einem baldigen Verbrauch gerechnet, so ist der Zusatz eines Konservierungs- und/oder Stabilisierungsmittels nicht notwendig. Das Konzentrat kann nach analytischer Bestimmung des Gehaltes an Grundkomponenten, vor allem an L-Lysin und Vitamin Bj, direkt zu dem zum Verbrauch bestimmten Futter verarbeitet werden, beispielsweise in einer bei der Erzeugung von Melassefuttermitteln üblicherweise angewandten Einrichtung.
Für eine eventuelle kurzfristige Lagerung oder einen kurzen Transport des Konzentrats wird — je nach klimatischen Bedingungen — ein Zusatz von Konservierungs- und/oder Stabilisierungsmitteln empfohlen. Bei längerer Lagerung oder längerem Transport ist die
jo Absorption des Konzentrats in einer der erwähnten physiologisch unschädlichen Trägersubstanzen erforderlich. Die Wahl der Trägersubstanz ist von örtlichen Verhältnissen, vom Preis und der Zugänglichkeit der Trägersubstanz sowie vom Anwendungszweck des
r, erfindungsgemäßen stabilen Konzentrats essentieller Biofaktoren abhängig.
Als geeignete Absorptionsmasse für das erfindungsgemäße Konzentrat hat sich beispielsweise expandierter Perlit in einer Menge von 5 bis 10% (bezogen auf die Gewichtsmenge des fermentierten Nährbodens) erwiesen; dieser ist billig, leicht zugänglich und leicht zu verarbeiten und ohne ungünstige physiologische Eigenschaften, wobei die mit den essentiellen Biofaktoren in das Futtermittel gelangende Menge, die überwiegend Asche darstellt, physiologisch bedeutungslos ist.
Bereits beim Mischen des Konzentrats mit expandiertem Perlit erhält man ein zwar feuchtes, aber bereits rieselfähiges Gemisch, das nach Trocknen bei einer 1000C nicht übersteigenden Temperatur und nach
so Zermahlen auf die erforderliche Korngröße vollkommen rieselfähig ist, nicht zusammenbackt, nicht zerfließt oder sogar bei langdauernder freier Lagerung an der Luft unter normalen Bedingungen keine Klumpen bildet Es ist von besonderer Bedeutung, daß das Produkt überhaupt nicht hygroskopisch ist, so daß man es in gewöhnlichen Emballagen verpacken kann, ferner, daß es vollkommen stabil ist ohne merkbare Abnahme der grundlegenden Wirkstoffe, vor allem von L-Lysin und Vitamin B2.
bo Selbstverständlich können auch andere Absorptionsmittel bzw. Trägersubstanzen verwendet werden, sofern sie die erforderlichen Eigenschaften besitzen und sofern sich dadurch ein analoger Effekt wie bei der Verwendung des expandierten Perlits erzielen läßt.
b5 Das erfindungsgemäße Verfahren entspricht einem ne\ cn, bisher nicht beschriebenen Prinzip der Verarbeitung von fermentierten Nährböden und einer grundsätzlich neuen Maßnahme bei der technischen Herstel-
lung und Verarbeitung von technischen Präparaten mit einem Gehalt an essentiellen Biofaktoren, insbesondere für Futterzwecke, wobei in erster Linie die maximale Ausbeute der Wirkstoffe und ihre Stabilität von Bedeutung sind.
In den nachfolgenden Beispielen werden einige Möglichkeiten der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Beispiel 1
1520 I nicht filtrierter fermentierter Boden mit einem L-Lysingehalt von 49 g/I (pH 7,5), d. h. mit einem L-Lysin-Gesamtgehalt von 74,5 kg, werden aus dem Fermentationsiank in einen Lagerbehälter überführt; von dort pumpt man den Boden ohne weitere Behandlung nach und nach in einen Vakuumverdampfer, wo man ihn bei einer Temperatur von 53 bis 70° C zu einem Konzentrat mit einem Volumen von 4601 (550 kg) einengt Das noch warme Konzentrat wird in einen Vorratsbehälter mit Heizmaniel überführt, durch Erhitzen auf 1050C sterilisiert und in eine reine, gedämpfte Transportzisterne mit vorgelegten 500 g Propionsäure als Konservierungsmittel gebracht. Das eingeengte Konzentrat enthält 160 g/I (135 g/kg) L-Lysin, 56 mg/1 Vitamin B2 und 12 mg/1 Nicotinamid, der pH-Wert liegt bei 5,95. Der L-Lysin-Gesamtgehalt im Konzentrat beträgt 73,6 kg, so daß die Ausbeute bezogen auf den L-Lysingehalt im Ausgangsboden bei 98,7% liegt.
Das Konzentrat kann z. B. weiterverarbeitet werden, indem man es mit Futtermehl im Verhältnis 1 :9 homogenisiert. Das erhaltene Gemisch mit einem L-Lysingehalt von 5,3% ist rieselfähig und im wesentlichen trocken. Aus 25 kg dieses Gemisches (L-Lysingehalt 337 g) lassen sich durch Mischen mit geeigneten Komponenten 100 kg Futtermittel zubereiten, das zum raschen Verbrauch bestimmt ist.
Beispiel 2
1000 ml (1070 g) nicht filtrierter, fermentierter Boden mit einem L-Lysingehalt von 39 bis 40 g/l (pH 7,2) werden nach Zusatz eines technischen Proteasepräparates mit 0,001% proteolytisch aktiver Substanz (bezogen auf das Ausgangsvolumen des Bodens) aufgeheizt. Nach Erreichen des Siedepunkts wird unter Atmosphärendruck eingedampft. Zu Anfang schäumt die eindampfende Flüssigkeit beträchtlich, nach und nach verringert sich die Schaumbildung, bis ruhiges Sieden eintritt. Nach Einengen auf ein Gewicht von etwa 300 g vermischt man das dunkle, sirupartige Konzentrat mit 100 g expandiertem Perlit, trocknet die Mischung zuächst 2 Tage frei an der Luft und danach bei 45°C bis zur Gewichtskonstanz. Nach Zermahlen erhält man 290 g eines homogenen, rieselfähigen Produkts mit einem Gehalt von 13,7% L-Lysin, was einer Ausbeute von 96 bis 97% (bezogen auf dessen Gehalt im Ausgangsboden) entspricht. Nach einigen Monaten Lagerung unter normalen Bedingungen wurde in einer Probe keine Abnahme des Wirkstoffgehaltes gefunden.
Beispiel 3
50 kg nicht filtrierter Boden mit einem L-Lysingehalt von 46 g/l (pH 7,3) werden auf 100°C erhitzt und in den Vorratsbehälter eines Umlaufverdampfers überführt. Nach Zusatz: von 5 g eines Silikonöls als Antischaummittel wird bei einer Temperatur von 55 bis 60c C ± 5" C bis zu einem Gewicht von 11,95 kg eingedampft. Das erhaltene rotbraune Konzentrat mischt man in 4 kg expandierten Perlit ein. Es entsteht ein nahezu rieselfähiges feuchtes Gemisch, das man in einem Fluidtrockner bei einer Temperatur von 50 bis 60° C (am Luftaustritt) bis zur Gewichtskonstanz trocknet. Das iroukene Produkt (12,1 kg) wird auf eine Korngröße von höchstens 0,4 mm zermahlen und homogenisiert. Es stellt eine rieselfähige, nichthygroskopische Masse dar, die sich mit pulvrigen, als Komponenten von Futtermittelzusätzen oder -gemischen angewandten Stoffen gut mischen läßt. Die Ausbeute an auf diese Weise erhaltenem L-Lysin beträgt etwa 95% (bezogen auf dessen Gehalt im fermentierten Boden). Die Stabilität dieses Präparats wurde einige Monate verfolgt, wobei sich weder eine bedeutende Verminderung des Wirkstoffgehaltes noch eine Veränderung im Aussehen oder der Konsistenz zeigte.
Der Wirkstoffgehalt im fermentierten Ausgangsboden und im trockenen Konzentrat ist in der nachfolgenden Tabelle angegeben:
Substanz Im Boden Im Konzentrat
(mg/ml) (mg/g)
Glucose 0 5,9
Saccharose 7,5 32,33
L-Lysin 45,4 183,5
Arginin 0,98 4,03
Asparaginsäure 0,35 1,50
Glutaminsäure 3,48 16,05
Prolin 0,8 3,3
Glycin 0,95 2,8
Alanin 3,86 17,0
Valin 0,98 9,3
Isoleucin 0,63 2,6
Leucin 0,48 2,2
Tyrosin Spuren Spuren
Thiamin nicht bestimmt 1,40 |xg
Riboflavin - O - 125,40 [JLg
Nicotinamid - O - 42,00 [jig
Vitamin B 12 - O - 0,15 |xg
Asche - O - 34,6 %
Beispiel 4
100 1 (106 kg) nicht filtrierter fementierter Boden (pH 4-, 7,2) nvt einem L-Lysingehalt von 50,1 g/l und einem Vitamin B2-Gehalt von 17,6 mg/1 werden in einem Autoklaven einer Thermolyse mit Dampf bei einer Temperatur von 115° ± 5°C 3 bis 4 Stunden lang unterworfen. Nach Druckablaß löst man in der noch
,0 heißen Flüssigkeit 10 kg Natriumchlorid und trocknet die Lösung in einer Sprühtrockenanlage bei einem Temperaturgradienten von 140°C/90°C. Man erhält 23,7 kg Konzentrat, das man mit 76,3 kg Kleie vermischt. In 100 kg dieses Gemisches wurden 4720 g L-Lysin gefunden, d. h. 94% der ursprünglichen Menge, und 1490mg Vitamin B2, d.h. 85% der ursprünglichen Menge. 65 kg dieses Gemisches werden zur Zubereitung von 1 t Futtermittel verwendet.
Beispiel5
101 gemäß Beispiel 2 hergestelltes Konzentrat werden durch Vermischen mit 301 wasserfreiem Methanol entwässert. Der entstandene Niederschlag wird abfiltriert, mit wasserfreiem Methanol (51)
b, gewaschen und im Vakuum getrocknet. Man erhält 4,1 kg eines trockenen Produktes mit einem L-Lysingehalt von 42%, d. h. eine Ausbeute von 94% (bezogen auf den L-Lysin-Gehalt im Konzentrat).

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines stabilen L-Lysin-Konzentrats mit hohem Gehalt an essentiellen Biofaktdren als Zusatz zu Nahrungs- und Futtermitteln durch Autolyse fermentierter Kulturflüssigkeiten L-Lysin produzierender Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, daß die unfiltrierte Nährflüssigkeit einschließlich Biomasse bei pH 6,0 — 8,0 vorzugsweise 7,2 — 7,5, der Thermolyse bei 55 — 1200C unter gleichzeitiger oder nachträglicher Wasserverdampfung unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermolyse unter Zusatz von 0,001 — 0,1 Gew.-% eines proteolytischen Enzyms durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Beendigung der Thermolyse bei einem Trockensubstanzgehalt des Konzentrats von 20- 100%.
DE2357119A 1972-11-15 1973-11-15 Verfahren zur Herstellung eines stabilen L-Lysin-Konzentrats mit hohem Gehalt an essentiellen Biofaktoren Expired DE2357119C3 (de)

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