DE2752485B2

DE2752485B2 - Herstellung von Eiweiß- und Backhefe

Info

Publication number: DE2752485B2
Application number: DE19772752485
Authority: DE
Inventors: Otto Dr. 2300 Kiel Moebus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-11-24
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1979-08-16
Also published as: DE2752485C3; DE2752485A1

Description

Erfinclungsgegenstand ist das im Patentanspruch i angegebene Verfallen zur Herstellung von Eiweiß- und Backhefe. Der Anspruch 2 nennt einp Ausgestaltung der Erfindung.

Die F'roduktion von Saccharomyce- cerevisiae zur π Verwendung als Eiweißhefe, z. B. zur Herstellung von Hefeautolysat, oder zur Verwendung als Backhefe ist an ein geeignetes Zulaufverfahren gebunden. Die heute in industriellem Maßstabe hergestellte Versandhefe wird fast ausschließlich im Chargenbetrieb nach einem Zulaufverfahren hergestellt. Eine technische Realisierung semi- oder vollkontinuierlicher Zulaufverfahren zur Backhefeherstellung hat sich nicht durchsetzen können (zusammenfassende Darstellung siehe F. Reiff, Die Hefen Bd. II, S. 570-572, 1962). Eine kontinuierliche 4". Backhefeerzeugungsanlage mit sechs hintereinandergeschalteten Fermentern wurde schon betrieben (siehe A.). C. Olsen, Soc. of Chem. industry Monograph No 12, S. 81 —93). E. A. Plevako (I960) verwendete zwei hintereinandergeschaltete Fermenter, von denen der erste ">o mit Nährlösung beschickt wurde (siehe J. Hospodka in »Theoretical and methodological basis of continuous culture of microorganisms, Academic Press, 1966, S. 548—355). Technisch weniger aufwendig wäre die Verwendung nur eines Fermenters. Ein Verfahren mit ->-> nur einem Bottich und kontinuierlichem Zulauf und Ablauf, dein Chemostaten, ist von J. Monocl (1958) beschrieben worden (US-PS 28 22 319). Das Chemostatenprinzip hat jedoch für die Produktion der Backhefe einen Nachteil. Mit dem heute gebräuchlichen Zulauf- wi verfahren im Chargenbetrieb kann die Backhefe, wie erwünscht, mit maximaler Wachstumsrate μ™, gezüchtet werden, da bei diesem Verfahren alle für das Wachstum der Hefe erforderlichen Substanzen im Überschuß bereitgestellt werden können. Im Che- t,-, mostaterr kann ein Wachstum mit maximaler Wachstumsrate n_ma< nur angenähert erreicht werden, da bei hohen Verdünnungsraten D~\i_mjx in der Nähe des »wash out«Berejches gearbeitet werden muß (D, Herbert, Soc. of Chem. industry Monograph No 12, S, 21 —51). Unter diesen Bedingungen wird das System instabil. Die Konzentration an Substrat in der Restlösung (nach Abtrennung der Hefe) wird bei Einstellung eines maximalen Wachstums besonders hoch, wodurch zusätzliche Abwasserprobleme entstehen.

Da das anfallende Abwasser die Produktion wirtschaftlich erheblich belastet, sind die Hefefabrikep teilweise schon dazu übergegangen, die gesamten, nach Abtrennung der Hefe anfallenden Abwässer einzudampfen und die erhaltene Vinasse wenigstens kostendeckend als Futtermittel zu verwerten. Die ernährungsphysiologische Qualität der Vinasse ist damit ebenfalls ein wichtiger Faktor geworden, der die Wirtschaftlichkeit einer Backhefeproduktion mitentscheidet Die Auswahl der Rohstoffe für den Prozeß sowie die Auslegung und technische Durchführung eines Zulaufverfahrens muß auf diesen Punkt Rücksicht nehmen. O. Moebus, M.Teuber und P. Kiesbye (DE-Patentanmeldung P 26 56 663.2-41) erhalten eine praktisch abwasserfreie Herstellung von Eiweiß- und Backhefe durch Verhefung von lactosehaltigen Lösungen und enzymatisch aufgeschlossenen stärkehaltigen Rohstoffen. Nach diesem Verfahren sind die nach Abtrennung der Hefe anfallenden Restlösungen als Vinasse besser verwertbar als bisher, da der Säureschulz der Hefe durch Milchsäure bewirkt wird, die während des Prozesses wieder verbraucht wird. Ein Zusatz von Schwefelsäure erübrigt sich, sodaß die anfallenden Restlösungen bzw. d^;e Vinasse auch nicht mehr durch Sulfate belastet sind.

Allerdings ist die Durchführung einer kontinuierlichen Kultur nach dem Chemostatenprinzip mit den nach diesem Verfahren hergestellten milchsäure-, ammoniumlactat- und kohlenhydrathaltigcn Nährlösungen schwieriger durchführbar als der Chargenbetrieb, da — bei hohen Verdünnungsraten — bevorzugt die Kohlenhydrate assimiliert werden, sodaß die Milchsäure bzw. das Lactat in der Kultur angereichert wird und schließlich Konzentrationen erreicht werden, die das Wachstum der Hefe hemmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zulaiifverfahren zu entwickeln, das zur semikontinuierlichen Produktion von Eiweiß- und Backhefe aus belüfteten Nährlösungen, die als C- und N-Quelle Milchsäure, Ammoniumlactat und Kohlenhydrate enthalten, geeignet ist und das ein Wachstum der Hefen in diesem Medium bei maximaler Wachstumsrate gestattet.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruchs I gelöst.

Der Zulauf kann nicht nur linear, sondern, angepaßt an das Hefewachstum, logarithmisch oder nach einem anderen Schema erfolgen.

Der Zulauf kann über die Messung der Äthanolkonzentration in der Kultur bzw. in der Abluft gesteuert werden.

Der Endpunkt des Verbrauches an Nährstoffen in Phase Il kann mittels einer Sauerstoffelektrode als Anstieg des Sauerstoffpartialdruckes in der Kultursuspension gemessen und die Entnahme der Hefesuspension aus dem Fermenter zeitlich gesteuert werden.

Der Endpunkt kann auch mit einer Kohlcndioxidelektrode gemessen werden.

Der Endpunkt kann auch durch Messung der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffes in der Abluft bestimmt werden.

Der Endpunkt kann ebenfalls durch Messung der

Infrarotabsorption des Kohlendioxids in der Abluft bestimmt werden.

Der Endpunkt kann außerdem durch Messung der Reaktionswärme der Verhefungssuspension erfaßt werden.

Eine Steuerung des Zulaufverfahrens ist durch zusätzliche Verwendung einer Fermentergewichtsregelung möglich.

Die für den Prozeß benötigte Milchsäure wird vorzugsweise während der Phasen I und Il aus den in Kohlenhydraten der Nährlösung durch Milchsäuregärung erzeugt

Das für den Prozeß benötigte Ammoniumlactat kann durch Neutralisation eines Teils der Milchsäure mit Ammoniak erhalten werden.

Die Zuregelung des Ammoniaks kann mit einer pH-Elektrode durchgeführt werden.

Anstelle einer pH-Elektrode kann auch eine Ammoniakelektrode für die Zudosierung des Ammoniaks verwendet werden.

Das Gewicht Ag und/oder die Zeit Δί\ kann zur Erzielung besonderer Wachstumszustände der Hefe in weitem Bereich variiert werden. Ist z. B.

so verdoppelt sich die Hefezellmasse in der Zeit At\+ut2. in der semikontinuierlichen Kultur tritt eine Synchronisation des Hefewachstums ein (gmn = Fermenterinhalt zu Beginn der Phase I, gmax-Fermenterinhalt zum Zeitpunkt vor der Hefeernte).

Als Hefe kann Saccharomyces cerevisiae verwendet werden.

Die durch Anwendung des Zulaufverfahrens erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Saccharomyces cerevisiae und andere Hefen unter Verwendung nur eines Fermenters maximal wachsen können. Durch Änderung der Menge Ag an Nährlösung kann die Dauer der Phasen I+ 11 ( = f)ti+Ah) variiert und damit der physiologische Zustand der Hefe auf das gewünschte Endprodukt ausgerichtet werden. Durch Änderung von Al], bei gleichem Ag, lassen sich weitere Wachstumszustände (»transient behavior«. Definition siehe W. Borzani, R. E. Gregori und M. L. R. Vairo. Biotechn. a. Bioeng. XIX. S. 1363—1373) realisieren, die sich z. B. durch eine mehr oder weniger ausgeprägte Alkoholbildung voneinander unterscheiden.

In der Kultur stellt sich, auch ohne Mineralsäurezusat/. ein genügend niedriger pH-Wert ein, da die Hefe in Phase I vorwiegend Kohlenhydrate und Ammoniak assimiliert, sodaß sich zunächst freie Milchsäure in der Kultur anreichert; in Phase K wird mit dem Verbrauch der überschüssigen Nährstoffe (und des gebildeten Alkohols) auch die Milchsäure assimiliert, sodaß der pH-Wert gegen Ende der Phase Il ansteigt.

Die Fermentationslösung ist vom Prozeß her nichl mit zusätzlichen Mineralstoffen belastet. Sie läßt sich in Form der Vinasse oder, zusammen mit der Hefe getrocknet, als Eiweißfuttermittel besser verwerten, als die entsprechenden mit Schwefelsäure hergestellten Produkte,

Im folgenden Ausführungsbeispiel ist das seniikontinuierliche Zulaufverfahren näher erläutert. Die Verwendung eines Verhefungstanks, ausgerüstet mit einer Tauchstrahlbegasungsanlagc erweist sich als zweckmäßig. Mit dieser Anlage ist die Züchtung der Hefe bei wechselndem Kuluirvolumen und die partielle Entnahme der Biomasse unproblematisch, da durch die Zwangsdurchmischung des Fermenterinhaltes homogene Bereiche in allen Teilen der Kultur vorliegen und der Sauerstoffeintrag durch den Fallstrahl angenähert unabhängig vom Kulturvolumen ist. Die Kühlleistung des Fermenters ist ebenfalls unabhängig vom Kulturvolumen, wenn der Kühler in der Druckleitung der Schlaufe installiert wird.

F i g. 1 zeigt den Fermenter Fmit der selbstentgasenden Umwälzpumpe U, dem Röhrenkühler K in der Schlaufe Sch und dem statischen Belüfter B. Der Fermentertank enthält weiterhin ein Bodenventil ßVzum Ablassen der Biomasse in den Erntetank 7?, eine Pumpe /"zum Zudosieren der Nährlösung aus dem Tank 71 und eine Pumpe R zum Zudosieren der wäßrigen Ammoniaklösung aus dem Tank 7j. Außerdem enthält der Fermenter Meß- und Kontrolleinrichtungen für folgende Parameter: Messung und Regelung der Substratzulaufrate über den magnetischen Durchflußmesser M, eine pH-Elektrode zur Messung des pH-Wertes in der Kultur und Regelung über die Pumpe /?. Messung und Regelung der Temperatur in der Kultu; über die Sonde 5.(Nur die Meßstellen sind gezeichnet.)

Für die Steuerung des Zulaufverfahrens wird eine Einheit zur Gewichtsmessung des FermenterinhEks über die Druckmeßdose D und eine Einheit zur Messung und Regelung des Sauerstoffpartialdruckes in der Kultur mit einer Oi-Elektrode benötigt. Die Gewichtsregelung erfolgt über einen Zweipunktregler mit einstellbaren Grenzkontakten für das Minimalgewicht g_mm und das Maximalgewicht g_w^_x. Die Cb-Einheit enthält einen Einpunktregler mit einem einstellbaren Grenzkontakt %O2,ma_t für den maximalen Sauerstoffpartialdruck. Angesteuert wird die Pumpe P und das Bodenventil BV, die Regelung und Steuerung des Zulaufverfahrens erfolgt zeitlich hintereinander über die Grenzkontakte, wie unten angegeben.

Nach Beimpfung und Auffüllen des Fermenters mit Leitungswasser bis auf g_mln wird die Regelung eingeschaltet:

Grenzkontakt g,„,„

1. Regelung über %O2._m.n verriegeln

2. Bodenventil SVschließen

3. Zulaufpumpe ^einschalten

Grenzkontakt g,„._lx

4. Zulaufpumpe Pausschalten

5. Regelung über %O2.™, entriegeln
Grcnzkoniakt ⁿkO_lm._n

6. Bodenventil SKöffnen

Es folgt wieder Regelung über Grenzkontakt g_ml„ usw.

F i g. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ch-Partial druckes, des pH-Wertes de/ Kultur und des semikontinuier'ich^n Zulaufes. Die Punkte, an denen die Regelung durch gniin. gm.n und %O2.m.n wirksam wird, sind besonders gekennzeichnet. Für die Zeichnung wurden experimentell ermittelte Daten des unten beschriebenen Laborversuches verwendet.

Für das Zulaufverfahren können verschieden zusammengesetzte Nährlösungen verwendet werden:

1. Substrate, die Milchsäure und Kohlenhydrate bereits enthalten, z. B. Maisquellwasser. Dieses enthält nach E. Conrady (siehe Die Stärke, 14, l%2. S. 13-21) in originalem Zustand 1,15% Milchsäure und 1,35% Zucker.

2. Substrate die eine besondere Milchsäuregärung durchlaufen haben.

3. Substrate, die für die Fermentation mit Mischkulturen aus Milchsäurebakterien und Hefen geeignet sind, soclaß Milchsäure (und Ammoniumliii.'at) nur intermediär auftritt (Bildung durch die Milchsäurebakterien. Verbrauch durch die Hefen), siehe O. Moebus und P. Kiesbye, DE-OS 24 03 306.

Voraussetzung für die Anwendung des Zulaufverfahrens ist, daß in der Zulaufphase (Phase I) ein Überschuß an Nährlösung zudosiert wird. Dieses ist dann gegeben, wenn .:li.> >0 wird. Der zu erwartende Wert At2 kann im (hargenvcrsiich ermittelt werden (siehe unten).

Im gegebenen Beispiel wird eine Nährlösung aus der 2. Gruppe (Durchführung einer besonderen Milchsäuregärung) verheft. Die Nährlösung enthielt 15.5 g/l

Tabelle

D-Milchsäure, lb.6g/l !.-Milchsäure, 4,5g/l Ammoniak und 127 g/l Kohlenhydrate (in Form von enzymatisch aufgeschlossener Stärke).

Tabelle I zeigt das Ergebnis der Vertiefung; als Hefe wurde Saccharomyces cerevisiae verwendet, belüftet wurde mit dem Laborinferator. Aus der Tabelle kann man entnehmen, daß sich sowohl D-Milchsäure als auch L-Milchsäure während der Zulaufphase I anreichern. Von den beiden isomeren Formen, die ursprünglich in etwa gleichen Konzentrationen vorlagen, wird die D-IJ-Milchsäure von der Hefe schneller assimiliert als die I.-Form. Nach Anstieg des Oj-Partialdruckcs in der Kultur, d. h. am Ende der l'hasc Il sind beide Milchsäureformen praktisch vollkommen von der Hefe assimiliert worden.

Vertiefung einer Nährlösung, hergestellt aus Molke + 20% Weizenmehl durch Milchsäuregärung und Amylasebehandlung

Kultur	g	0,-Partiaklruck D-Müchsiiure	g/l*)	L-Milchsäure pH	Hierzu	4,8	g NII,	/Γ) COI) (I'ermanganat)	Beginn des Zulaufes	320
in h	Jf....,-	% Sättigung				4.8			2240
	4 g		0.43	g/l*)		5,0		mgOyi*)	5120
0,00		0.77			5.1		5440 Zulauf beendet
0,50	55	1.14	0.67	5.5	0.39	5120
1,50	15	1.57	1,21	6.0	0,54	4000
2,50	4	0.87	2,29	5.7	0.85	-
3,50	3	0.17	3.54	5,8	1.05	1920 Ernte der Biomasse
4,50	1	-	2.03	Zuwachs an	0.80	kg Nährlösung:
6,50	1	0.07	0.15	0,37	364 g Hefelrockenmasse, entsprechend
8,00	1	J/, = 3.	-	-	1162 g Hefefeuchtmasse.
8,75	55	A t_: = 5.	0,12	0,25
, = 7.5 kg	,50 h	Hefe/3
, -- 10,5 kg	,25 h	2 Blatt Zeichnungen
= 3 kg	Temperatur 23 C
	*) Gemessen in der zellfrcien Lösung.

Claims

Patentansprüche:

1. Semikontinuierliches Zulaufverfahren zur Herstellung von Eiweiß- und Backhefe in einem belüfteten Fermenter, wobei nach einer Zeit Ah ein Gewicht Ag an Hefesuspension geerntet wird und ein Quotient AgIAu so groß gewählt wird, daß At₂>0 wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kulnur der Hefe in zwei sich wechselseitig ablösenden Phasen, Phase I von der Dauer Au und Phase II von der Dauer At2, durchgeführt wird, daß dem Fermenter während der Zeit At\ ein Gewicht Ag an Nährlösung mit den Bestandteilen Milchsäure, Ammoniumlactat und Kohlenhydrate als C- und N-Quelle zugeführt wird, und daß dem Fermenter während der Zeit Ah keine weitere Nährlösung zugegeben wird, bis die in der Zeit At\ in der Kulturlösung angereicherte Milchsäure durch die Hefe assimiliert ist.

2. ZulaufverUhren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die für den Prozeß benötigte Milchsäure während der Phasen I und II aus den Kohlenhydraten der Nährlösung durch Milchsäuregärung erzeugt wird.