DE2752485C3

DE2752485C3 - Herstellung von Eiweiß- und Backhefe

Info

Publication number: DE2752485C3
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: 1980-04-24
Also published as: DE2752485B2; DE2752485A1

Description

Erfindungsgegei.jtand ist das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren zur H:rstelli--,g von Eiweiß-und Backhefe. Der Anspruch 2 nenri eine Ausgestaltung der Erfindung.

Die Produktion von Saccharomyces cerevisiae zur 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 Backhcfeerzeugungsanlage mit sechs hintcreinandcrgcschalteten Fermentern wurde schon betrieben (siehe A. J. C. Olsen, Soc. of C'hcm. industry Monograph No 12, S. 81—93). E. A. Plevako(l960) verwendete zwei hintercinandergeschaltetc Fermenler, von denen der erste mit Nährlösung beschickt wurde (siehe J. Hospodka in »Theoretical and methodological basis of continuous culture of microorganisms, Academic Press, 1966, S. 548 —555). Technisch weniger aufwendig wäre die Verwendung nur eines Fermenters. Ein Verfahren mit nur einem Bottich und kontinuierlichem Zulauf und Ablauf, dem Chcmostaten. ist von ). Monod (1958) beschrieben worden (US-PS 28 22 319). Das Chemostatenprinzip hat jedoch für die Produktion der Backhefe einen Nachteil. Mit dem heule gebräuchlichen Zulauf= verfahren im Chargenbetrieb kann die Backhefe, wie erwünscht, mit maximaler Wachsliimsrate μ,_π,_Μ gezüchtet weiden, da bei diesem Verfahren alle für das Wachstum der Hefe erforderlichen Substanzen im I"ibcrschuß bereitgestellt werden können. Im Chemostaten kann ein Wachstum mit maximaler Wachstumsrate u_H nur angenälicrl erreicht werden, da bei hohen Vcrdiinmin^sriilen /.'-μ,,,,, in der Niihe des »wash outw-Bereiches 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 Hefefabriken teilweise schon dazu übergegangen, die gesamten, nach Abtrennung der Hefe anfallenden Abwasser einzudampfen und die erhaltene Vinasse wenigstens kostendeckend als Futtermittel zu verwerten. Die ernährungsphysiologische Qualität der Vinasse ist damit ebenfalls

υ ein wichtiger Faktor geworden, der die Wirtschaftlichkeit einer Backhefeproduktion mitentscheidet. Die Auswahl der Rohstoffe für den Prozeß sowie din Auslegung und technische Durchführung eines Zulaufverfahrens muß auf diesen Punkt Rücksicht nehmen.

2i) 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 -Resilösungen als Vinasse besser verwertbar als bisher, da der Säureschutz der Hefe durch Milchsäure bewirkt wird, die während des Prozesses wieder verbraucht wird. Ein Zusatz von

jo Schwefelsäure erübrigt sich, sodaß die anfallenden Restlösungen bzw. die Vinasse auch nicht mehr durch Sulfate belastet sind.

Allerdings ist die Durchführung einer kontinuierlichen Kultur nach dem Chemostatenprinzip mit den

r. nach diesem Verfahren hergestellten milchsäure-, ammoniumlactat- und kohlenhydrathaltigen Nährlösungen schwieriger durchführbar als der Chargenbetrieb, da — bei hohen Verdünnungsra'cn — bevorzugt die Kohlenhydrate assimiliert werden, sodaß die Milchsäure bzw. das L.actat in der Kultur angereichert wird und schließlich Konzentrationen erreicht werden, die das Wachstum der Hefe hemmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zulaufverfahren zu entwickeln, das zur semikontinuier-

r. liehen 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.

,(ι Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.

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

ν, 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 Saucrstoffclckirodc als An-

mi '.lieg des Sauersloffpiirliaklmckes in der Kullursüspcnsion gemessen und die Entnahme der Hefcsuspeiisioii aus dem Fermenler zeitlich gesteuert weiden.

Der Endpunkt kann auch mit einer Kolilendioxidelcktrodc gemessen werden.

in Der Endpunkt kann auch durch Messung der paraiii,1 !.'Hellsehen Eigenschaften des Sauersloffes in der Ahliifl bestimmt werden.

Der l-lndnunki kann ebenfalls iliuvh Messunii der

Infrarotabsorption des Kohlendioxids in der Abluft bestimmt werden.

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

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 Kohlenhydraten der Nährlösung durch Milchsäuregärung erzeugt.

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

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 Gev/icht Ag und/oder die Zeit Au kann -,ur Erzielung besonderer Wachstumszustände der Hefe in weitem Bereich variiert werden. Ist z. B.

g— gmm — gm.J'i, >>

so verdoppelt sich die Hefezellmasse in der Zeit Ai\+Aii, in der setnikontinuierlichen Kultur tritt eine Synchronisation des Hefewachstums ein (g_m,„ = Fermenterinhalt zu Beginn der Phase I, g_m.i\ = Fermenter- jo inhalt zum Zeitpunkt vor der Hefeernte).

Als Hefe kann Sacctiaromyces cerevisiae verwendet werden.

Die durch Anwendung des Zulaufverfahrens erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß j-> 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 (=<5i_t + ^f₂) variiert und damit der physiologische Zustand der Hefe auf das w gewünschte Endprodukt ausgerichtet werden. Durch Änderung von Ali, bei gleichem Ag, lassen sich weitere Wachstumszustände (»transient behavior«, Definition siehe W. Bor/ani, R. E. Gregori und M. L. R. Vairo, Biotechn. a. Bioeng. XIX, S. 1363—1373) "-ealisieren, die π sich /.. B. durch eine mehr oder weniger ausgeprägte Alkoholbildung voneinander unterscheiden.

In der Kultur stellt sich, auch ohne Mineralsäurezusatz, ein genügend niedriger pH-Wert ein, da die Hefe in Phase I vorwiegend Kohlenhydrate und -,0 Ammoniak assimiliert, sodaß sich zunächst freie Milchsäure in der Kultur anreichert; in Phase Il 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. v,

Die Fcrmentationslösung ist vom Prozeß her nicht mil zusätzlichen Mineralsloffcn belastet. Sie läßt sich in Form der Vinasse oder, zusammen mit der Hefe getrocknet, als Eiweißfuttermittcl besser verwerten, als die entsprechenden mil Schwefelsäure hergesielllcn wi Produkte.

Im folgenden Ausfiihrungsbeispicl ist das semikoniinuierliche /.ulaufvcrfahren näher erläutert. Die Verwendung eines Verhefungstanks, ausgerüstet mit einer Tauchstrahlbcga.umgs.inlage erweist sieh als h". zweckmäßig. Mit dieser Anlage isl die /.üchlung der Hefe bei wechselndem Kiiltiirvolumen und die partielle Entnahme der Biomasse unproblematisch, da durch die Zwangsdurchmischung d<-s 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 Fmk der selbstentgasenden Umwälzpumpe U, dem Röhrenkühler K in der Schlaufe Sch und dem statischen Belüfter B. Der Fermentertank enthält weiterhin ein Bodenventil flVzum Ablassen der Biomasse in den Erntetank 7ϊ, eine Pumpe Pzum Zudosieren der Nährlösung aus dem Tank 71 und eine Pumpe R zum Zudosieren der wäßrigen Ammoniaklösung aus dem Tank 7V Außerdem enthält der Fermenter Meß- und Kontrolleinrichtungen für folgende Parameter: Messung und Regelung der Substratzulaufrate über den magnetischen Durchflußmesser /V/, eine pH-Elektrode zur Messung des pH-Wertes in der Kultur und Regelung über die Pumpe Λ Messung und Regelung der Temperatur in der Kultur über die Sonde 5. (Nur die Meßstellen sind gezeichnet.)

Für die Steuerung des Zulaufverfahrens wird eine Einheit zur Gewichtsmessung des Fermenterinhalts über die Lruckmeßdose D und eine Einheit zur Messung und Regelung des Sauerstoffpartialdruckes in der Kultur mit einer Oj-Elektrode benötigt. Die Gewichtsregelung erfolgt über einen Zweipunktregler mit einstellbarer. Grenzkontakten für das Minimalgewicht g,.„„ und das Maximalgewicht ^_ml. Die Oj-Einheit enthält einen Einpunktregler mit einem einstellbaren Grenzkontakt %O2._mJ« 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_lm„ wird die Regelung eingeschaltet:

Grenz..ontakt g_mm

1. Regelung über %O₂,„,.,, verriegeln

2. Bodenventil SKschließen

3. Zulaufpumpe /^einschalten

Grenzkontakt £V,_m

4. Zulaufpumpe Pausschalten

5. Regelung über %O_{2 m}, entriegeln

Grenzkontakt ⁰ZnO₂,,,,.,,

6. Bodenventil eröffnen

Es folgt wieder Regelung über Grenzkontakt g_m,n usw.

F i g. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des O₂-Partialdruckes, des pH-Wertes der Kultur und des semikontinuierlichen Zulaufes. Die Punkte, an denen die Rege lung durch g_mm. g,„.n und "/oO;.,,,.,, wirksam wird, sind besonders gekennzeichnet. Für die Zeichnung wurden experimentell ermittelte Daten des unten beschriebenen Laborversuches verwendet.

Für das Zulaufvcrfahrcn können verschieden zusammengesetzte Nährlösungen verwendet werden:

1. Substrate, die Milchsäure und Kohlenhydrate bereits enthalten, z. IS. Mnisquellwasser. Dieses enthält nach I·. Conndy (siehe Die Stärke. 14. l%2. S. IJ-21) in originalem /ustand I,l5'!'o Milchsäure und I.JVVii Zucker.

2. Substrate, die eine besondere Milelisäuregärung durchlaufen hüben.

3. Substrate, clic fur die I ennentation mit Misv.li kiillureti aus Milchsaurebaklenen und liefen >:eeignet sintl. sodal.i Milchsäure (und Ammoniiimlaclat) nur intermediär auftrilt (Bildung durch ilie Milchsäiirebaktcrien. Verbrauch durch die Hefen), siehe (V Moebus und I'. kiesbve. DIv-OS 24 03 JOh.

Voraussetzung für die Anwendung des Zulaufverfiilirens ist. daß in der /ulaiifphase (Phase I) ein I Ibersehuli an Nährlösung zudosiert wird. Dieses ist dann gegeben, wenn .1/.- ■·() wird. Der zu erwartende Wer! .1/.· kann im C hargetiversuch ermittelt werden (siehe innen).

Im gegebenen Beispiel wird eine Nährlösung aus tier 2. (iruppe (Durchführung einer besonderen Milchsäure garung) '.erlieft. Die Nährlösung enthielt I Vi g I

Tabelle

Vertiefung einer Nährlösung, hergestellt aus Molke behandlung

D-Milchsäure, lb.bg/1 I. Milchsäure. 4.') g/l Ammoniak und 127 g I Kohlenhydrate (in I orni \on enzyniaiiscli aufgeschlossener Starke).

Tabelle I zeigt das Ergebnis der Verhefimg; als Hefe wurde Saccharomyccs ccrevisiac verwendet, belüftet wurde mit dem l.aborinlerator. Aus der Tabelle kann man entnehmen, dall sich sowohl D-Milchsäure als auch !.-Milchsäure während der /.iilaufphase I anreichern. Von den beiden isomerer ' minen, die ursprünglich in < tu a gleichen Konzenlr.i >ncn vorlagen, wird die D-D-Milchsäure von tier 1 IeIe st hnrHer assimiliert als die I.-I-Orni. Nach Anstieg des ().· l'artialdrtii kes in der Kultur, d.h. am l.nde tier Phase Il sind beide MiIcIisäiirelornie'i praktisch \'''!kommen son der liefe assimiliert wurden.

Weizenmehl durch Milchsäurciiäruni; und Amvlase-

KuItL,-	O	■-!'	.irtialdriick	η-Milch	-äiire	I.-Milch	-.IUTJ i'll	- Ml VT)	M)I)Il	'c i 111	.ingarhili
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0.43
0.77
1.14
1.57
0.87
0.17

0.07

κ. : 7.5 kg
V 10.5 kg

.U' - 3 kg

') (Icnies-en in der zcHTretcn I

1.21 2.2¹) 3.54 2.03 0.15

0.12

Al - 3.50 h Al· - >.?- h Temperatur 23 <

0.3¹I	320
0.54	2240
0.85	5120
1.05	5440
0.80	5120
0.3"	4000

0.25

Beginn des Zulaufes

Zulauf beendet

1920 Ernte der Biomasse

Zuwuchs an llefe/3 kg Nährlösung:
3'4g llefetrockenmasse. entsprechend
': 162 B Hefefeuchtmasse.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Semikontinuierliches Zulaufverfahren zur Herstellung von Eiweiß- und Backhefe in einem belüfteten Fermenter, wobei nach einer Zeit Δ12 ein Gewicht Ag an Hefesuspension geerntet wird und ein Quotient AglAu so groß gewählt wird, daß 4r₂>0 wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kultur der Hefe in zwei sich wechselseitig ablösenden Phasen, Phase I von der Dauer Δ t\ und Phase Il von der Dauer Ah, 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 Δ ti in der Kulturlösung angereicherte Milchsäure durch die Hefe assimiliert isv.

2. Zulaufverfahren 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.