-
Verfahren zur Verarbeitung von stärkehaltigen Rohstoffen unter Verwendung
von stärkeverflüssigende Enzyme enthaltenden Bakterien. Es ist bekannt, Getreide
und andere Stärke enthaltende Körper im ganzen oder in gemahlenem Zustande durch
Enzyme bestimmter Bakterien zu verflüssigen. Die Bakterien züchtet man dabei auf
Getreidemaische oder auf alkalisch gemachten Trebern oder direkt auf dem zum Kochen
oder Aufschließen bestimmten Getreide, Reis oder den anderen stärkehaltigen Körnern.
Es geschieht das in der Weise, daß man z. B. Reiskörner oder geinahlenen Reis mit
ungefähr io Prozent Wasser befeuchtet, auf diese Masse die verflüssigenden Bakterien
aussät und das Gemisch unter zeitweisem Umrühren auf einer Temperatur von 3o bis
4.o° C erhält. Diese so gezüchteten Bakterien werden alsdann zur Verflüssigung von
Getreide bei einer Temperatur vun 75 bis 85' C verwendet, wobei drei Iris
fünf Teile der die Bakterien enthaltenden Getreidemasse zur Verflüssigung von ioo
Teilen Getreide genügen. Infolge der dem Kochen vorangehenden Verflüssigung des
Getreides kann die übliche Kochdauer des Getreides wesentlich verkürzt werden. Als
besonders wirksam zur Verflüssigung von Stärke wurden bisher die Bakterien angesehen,
welche auf sehr stickstoffreichen Nährstoffen unter Zufuhr von Luft gezüchtet waren.
-
Es hat sich nun gezeigt, daß die Verflüssnung der Stärke in bedeutend
kürzerer Zeit und in viel weitgehenderem Maße mit geringeren Enzymmengen vor sich
geht, wenn man den Rohstoffen so viel Alkali zugibt, bis sich eine alkalische Reaktion
zeigt, während nach der Verflüssigung die Maische neutralisiert oder sogar sauer
gemacht wird. Diese Arbeitsweise 'hat auch noch den weiteren Vorteil, daß bei derselben
kein Verlust an. Trebern stattfindet, da die den Zerfall der Körner 'herbeiführende
Vorbereitungsarbeit wegfällt, welche eine unnütze Auflösung von Zellulose und stickstoffhaltigen
Bestandteilen mit sich bringt. Als besonders zweckmäßig hat sich die Verwendung
solcher Bakterien von der - Gruppe des »subtilis« oder »mesentericus« erwiesen,
welche zu wiederholten Malen auf sehr stickstoffreichen Nährmitteln weiter gezüchtet
wurden, wobei die Kulturen sich schleierförmig in dünner Schicht und unter dem Einfluß
eines Luftstromes entwickeln, dessen Menge vermindert wird, wenn das Wachstum der
Bazillen seinem Ende entgegengeht. Das weitere Verfahren der Verzuckerung der flüssigen
Stärke kann in irgendeiner bekannten Weise geleitet werden. Man kann aber auch nach
der vorliegenden Erfindung die verflüssigenden Enzyme der Bakterienkulturen in verzuckernde
Enzyme umwandeln und - letztere zum Verzuckern der verflüssigten stärkehaltigenRohstoffe
verwenden, indem man Salze und nicht vergorene, gemahlene, .stickstoffhaltige Stoffe;
wie z. B. Soja, Mais; Reis, Korn, Gerste u. dgl., zusetzt. Um das günstigste Resultat
zu erzielen, züchtet man bestimmte Arten von Bakterien, die man unter jenen auswählt,
welche
große Mengen von stärkeverflüssigenden Diastasen liefern. Nach den bisherigen Erfahrungen
finden sich die besten Arten unter den Gruppen »subtilis« und »mesentericus«, die
in einem alkalischen oder neutralen Mittel gedeihen, sich durch Bildung starker
Häute auszeichnen und leicht Sporen bilden. Bei der Mehrzahl der zu diesen beiden
Gruppen gehörenden Arten sieht man, wenn man sie auf stark stickstoffhaltigen (kasein-
oder amidreichen) Nährmaterialien züchtet, die nur geringe Mengen von stärkehaltigen
Bestandteilen enthalten, die Verflüssigungskraft entstehen und unter Bedingungen,
die einem reichen Wachstum günstig sind, sich von Generation zu Generation allmählich
steigern. Durch eine Gewöhnung dieser Arten von Bakterien an die genannten Wachstumsbedingungen
gelingt es, ihnen eine starke Verflüssigungskraft zu verleihen und sie hierdurch
für die Industrie verwendbar zu machen.
-
Das Maximum von Verflüssigungsfähigkeit wird unter den folgenden Bedingungen
erzielti. Wiederholte Züchtung auf stark stickstoffhaltigen und verhältnismäßig
kohlenhydratarmen Nährböden. In der Tat stört die Gegenwart einer verhältnismäßig
großen Menge von stärkehaltiger Substanz die Erzeugung großer Mengen des verflüssigenden
Enzyms in Würzen, welche sehr reich an stickstoffhaltigen Produkten sind.
-
2. Wachstum der Kultur an der Oberfläche in dünnen Schichten und in
Gegenwart eines Überschusses von Luft am Beginn und unter Abnahme der den Bakterien
zugeführten Sauerstoffmenge, sobald sie vollkommen entwickelt sind.
-
3. Wenn man die Bakterien in eine flüssige Maische impft und durch
die Flüssigkeit große Mengen Luft hindurchstreichen läßt, so bildet sich nur eine
ganz unbedeutende Menge von verflüssigendem Enzym, und die Flüssigkeit wird sauer.
Das Verhalten der Bakterie ist hingegen ein ganz anderes, wenn sie sich schleierförmig
entwickelt; es bilden sich alsdann große Mengen von verflüssigendem , Enzym, das
die Stärke bei alkalischer Reaktion angreift, wobei die Maische alkalisch wird.
-
q.. Die Temperatur der Kultur wird auf z5 bis 40' C erhalten. Es scheint,
daß die Menge des gebildeten verflüssigenden Enzyms , eine größere ist, wenn die
Temperatur bei der Mehrzahl der untersuchten Arten ungefähr 300 nicht übersteigt.
-
5. Die Menge des erhaltenen verflüssigen- , den Enzyms ist um so größer,
je reicher die Nährmaterialien an assimilierbaren Stickstoffverbindungen sind. Alle
Ausgangspro-` dukte, die nur einen Teil Stickstoff auf 35 bis q.o Teile Kohlehydrate
enthalten, geben Enzymlösungen, die wenig wirksam sind und in denen die Absonderung
des Enzyms sehr verzögert ist. Im Gegensatze hierzu geben die Ausgangsprodukte,
die einen Teil Stickstoff auf io bis 15 Teile Kohlehydrat enthalten, sehr diastasereiche
Lösungen. Unter solchen Ausgangsprodukten sind zu nennen: Albumine pflanzlichen
oder tierischen Ursprungs, Kaseine, Maisfibrin, gekochte Hefe, Sojabohnen und vorzüglich
die Kuchen der entölten Sojabohnen.
-
6. Das gebildete verflüssigende Enzym kann durch Zusatz von 10 bis
15 Prozent Salz oder von q. bis 5 pro Mille Formalin mehrere i Monate hindurch konserviert
werden; man kann diese Lösungen auch durch Zusatz von Ammoniumsulfat fällen oder
im Vakuum einengen.
-
7. Wenn man unter den vorstehend angegebenen Bedingungen arbeitet,
erhält man Kulturen, die eine erhebliche Verflüssigungskraft für Stärke besitzen.
Handelt es sich aber darum, statt der bloßen Verflüssigung die Verzuckerung stärkehaltiger
Materialien herbeizuführen, so ergibt sich die Aufgabe, der Bakterienkultur eine
sehr kräftige Verzuckerungsfähigkeit zu verleihen. Man vermag nun die Verzuckerungskraft
der in Rede stehenden Kulturen im Verhältnis von 1:5o zu verstärken, wenn man wie
folgt vorgeht: Wenn die Kulturen das Maximum an Verflüssigungsfähigkeit erreicht
haben, fügt man 8 bis 15 Prozent Kochsalz (oder andere Salze, wie beispielsweise
Natriumsulfat) hinzu, ferner stickstoffhaltige Stoffe in einer solchen Menge, daß
-die Masse einen dicken Teig bildet. Diesen Teig läßt man minde- i stens 24 Stunden
bei einer Temperatur von etwa 300C stehen, wobei man dafür Sorge trägt, die Berührung
mit Luft nach Tunlichkeit zu vermeiden. Unter diesen Bedingungen verschwindet die
Verflüssigungskraft -i zum größeren Teile, und es entsteht eine Verzuckerungskraft,
die der eines Malzes von vorzüglicher Beschaffenheit gleichkommt.
-
Zur näheren Erläuterung des neuen Verfahrens werden im folgenden zwei
Ausführungsbeispiele gegeben, denen die Verarbeitung von Getreide zur Alkoholgewinnung
zugrunde gelegt ist.
-
i. Beispiel. -i ooo kg von gut zerkleinertem Mais werden zwischen
75 und 85' C mit 2 ooo kg Wasser erhitzt. Man versetzt diese Masse mit 3
bis 5 kg trockenem Natriumkarbonat oder mit einigen Kilogrammen einer Base oder
einer beliebigen chemischen Verbindung, die fähig ist, dem -Gemische eine alkalische
Reaktion
zu verleihen (als Indikator ist Lackmus zu verwenden). Diesem Gemenge gibt man nun
eine kleine Menge (5o bis 8o 1) von verflüssigendem Enzym, d. h. der enzymhaltigen
Züchtungsflüssigkeit, zu. Die Verflüssigung vollzieht sich in wenigen Minuten. Wenn
die Maische" eine vollkommen flüssige Beschaffenheit angenommen hat, neutralisiert
man sie mittels einer Säure, worauf man auf etwa ioo bis i2o° C erhitzt, um die
Auflösung der Teilchen sicherzustellen, die infolge unvollkommener Zerkleinerung
des Materials sich der Verflüssigung etwa entzogen haben könnten. Es genügt, die
so vorbereitete Maische mit einem Malzauszug zu behandeln, von dem es nur einer
geringen Menge bedarf, oder sie mittels Schimmelpilzen oder Diastase beliebiger
Herkunft zu verzuckern und hiernach Hefe einzusäen, um durch die Gärung eine vollkommene
Überführung der Stärke in Alkohol und das Maximum der Ausbeute an Alkohol und Trebern
zu erzielen.
-
Die Möglichkeit, bei diesem Verfahren im Verhältnis zur üblichen Arbeitsweise
geringere Mengen Malz zu verwenden, ist dadurch gegeben, daß 2 bis 3 Prozent Malz
genügen, um das durch die Enzyme der Bakterien verflüssigte Getreide vollkommen
zu verzuckern, während man von demselben Malz bei der üblichen Arbeitsweise io Prozent
benötigen würde.
-
Man kann das Malz auch vollkommen ausschalten und durch eine verzuckernd
wirkende Bakterienkultur ersetzen, die in der früher beschriebenen Weise hergestellt
wird und von der es nur" einer höchst geringen Menge bedarf.
-
Anstatt den Mais oder das betreffende Getreide trocken zu vermahlen
und in diesem Zustande der Verflüssigung unmittelbar zu unterwerfen, hat es sich
als vorteilhaft herausgestellt, in feuchtem Zustande zerkleinertes Getreide der
Behandlung zu unterwerfen. Man vermeidet auf diese Weise die bei der Zerkleinerung
durch Verstäubung entstehenden Verluste, zerstört unter erheblicher Ersparnis an
Betriebskraft die hornigen oder glasigen Teilchen des Getreides und setzt die Stärkekörnchen
besser in Freiheit; ohne die Kleie zu Mehl zu zermahlen.
-
Das vorbereitende Weichen kann in verschiedener Weise ausgeführt werden,
d. h. in der Kälte oder in 'der Wärme, mit jener Menge Wasser, die nötig ist, um
eine Gewichtsvermehrung des Getreides von 25 bis 30 Prozent herbeizuführen,
oder mit einem Überschuß von Wasser.
-
Es empfiehlt sich jedoch, das Getreide mit einemÜberschuß vonWasser
und in derWärme einzuweichen, weil man in dieser Weise das Weichwasser von dem Getreide
trennen kann. -Dieses Wasser enthält nämlich Extraktivstoffe, die, wie durch Versuche
festgestellt worden ist, die Wirkung der Enzyme teilweise aufheben. Die Entfernung
des Weichwassers gestattet gleichzeitig eine erhebliche Verminderung der Alkalimenge,
die zur Herbeiführung der alkalischen Reaktion dem stärkehaltigenMaterial zuzusetzen
ist, und die Verminderung der zu verwendenden Enzymemenge. Da dieses Weichwasser
sauer ist, kann man sich seiner schließlich auch bedienen, um nach Durchführung
der Verflüssigung das früher zugesetzte Alkali zu neutralisieren. -Die Aufrechterhaltung
einer Temperatur von 65 bis 75° C während des Weichens hat außerdem den Vorteil,
daß die stickstoffhaltigen Körper und die in der Wärme veränderlichen Phosphate
gefällt werden. Durch Ausscheidung der stickstoffhaltigen Stoffe wird eine Zerstörung
der Diastase hintangehalten. Was die Phosphate betrifft, so werden diese teils in
die Berthelötschen mehrbasischen Phosphate übergeführt, die im Getreide verbleiben,
teils in saure Phosphate, die in die Flüssigkeit übergehen. Demzufolge ist es möglich,
mit sehr geringen Mengen Alkali auszukommen. Der Zusatz des Alkalis kann bei Verwendung
sehr harter Betriebswässer sogar ganz unterbleiben, ob zwar sich auch unter diesen
Umständen der Zusatz eines kleinen Überschusses von Alkali immerhin als vorteilhaft
herausgestellt hat, um recht dünnflüssige Maischen zu erhalten.
-
Zum Einweichen in der Wärme kann man das Getreide in ganzen Körnern
oder zerkleinert verwenden. Es wurde jedoch gefunden, daß es vorteilhaft ist, das
Getreide nicht zu zerkleinern, weil die Menge von reduzierendem Zucker, die sich
am Ende des Weichens vorfindet, um so größer ist, je feiner das Getreide gemahlen
war. So wurden beispielsweise in Kolben ioo g sehr fein gemahlener Mais und Zoo
g ganzer Mais und Zoo g Wasser eingebracht, sodann wurde-12 Stunden bei 65 bis 67°
C stehen gelassen. Es zeigte sich, daß in dem ersteren Kolben 7,6 g reduzierender
Zucker, in dem zweiten aber nur 2,2 g sich gebildet hatten. Da der reduzierende
Zucker gegen Erwärmung nicht widerstandsfähig ist, so ist es zweckmäßiger, seine
Bildung tunlichst zu verhüten.
-
Auf Grund aller geschilderten Beobachtungen hat sich die folgende
Arbeitsweise als die günstigste ergeben: z. Beispiel.
-
i ooo kg Mais (oder ein anderes stärkehaltiges Ausgangsprodukt) werden
in Form ganzer Körner während 4 bis B. Stunden in
1 500 bis
2 000 (oder mehr) kg Wasser bei 7o bis 8o° C geweicht. Nach dem Ablassen des Wassers,
das ein oder mehrere Male erneuert werden kann (methodische Auslaugung), schreitet
man zum Mahlen der Masse in Mablgängen mit Steinen öder Zylindern. Das Mehl wird
dann in Wasser eingetragen, das man auf ungefähr 8o° C hält und dem man ein wenig
Natriumkarbonat (im Maximum a kg) und beispielsweise 2o bis 40 1 der Enzvmlösung
zusetzt.
-
Wenn die Verflüssigung sich vollzogen hat, neutralisiert man mit irgendeiner
anorganischen oder organischen Säure oder durch Zufügung des Weichwassers oder mit
Hilfe von Schlempe. Der weitere Verlauf des Verfahrens vollzieht sich in der im
Beispiel r angegebenen Weise.
-
Es muß hervorgehoben werden, daß bei Verwendung des der Verflüssigung
vorangehenden Weichens und bei Unterlassung der zeitweiligen Entfernung des Weichwassers
mindestens die gleiche Menge Alkali verwendet werden muß, wie bei der Arbeitsweise
nach Beispiel i, um eine gute Verflüssigung zu erzielen.
-
Das neue Verfahren bringt nachfolgende Forteile: Abkürzung der Kochdauer
des Getreides und Ersparnis an Kohlen.
-
Erhöhung der Alkoholausbeute, hervorgerufen durch die Schonung des
im Getreide vorgebildeten Zuckers, der durch das übliche Kochen zum Teil unvergärbar
wird.
-
Erhöhung der Ausbeute durch die vollständigere Löslichmachung und
Verzuckerung der Stärke vor der Gärung; Fehlen von Stärke in den Trebern.
-
Verminderung oder vollständige Ersparnis des Malzes.
-
Wertsteigerung der Rückstände vermöge des höheren Gehaltes an Fettstoffen,
die bei der üblichen Arbeitsweise durch hohe Temperaturen zersetzt werden, und weil
das Öl als solches und nicht als Seife und in hellerem und leichter verkäuflichem
Zustande zurückbleibt. -Erhebliche Verbesserung des Alkohols, da die Bildung von
stickstoffhaltigen Harzen vermieden ist, die dem Alkohol einen eigentümlichen und
schwer zu entfernenden Geschmack verleihen; überdies gewinnt der Geschmack des Alkohols
auch dadurch, daß die Maische am Beginn der Gärung weniger .sauer ist als eine durch
Hochdruckdämpfung erhaltene, wobei die Säure im Laufe der Gärung abnimmt.
-
Bekömmlichere und einladendere Schlempe bzw. Trockenschlempe -von
höherem Nährwert, weil sie reicher ist an Kohlehydraten und assimiliexbaren nicht
vergärbaren Harzen. Um bei Verwendung der verflüssigenden Enzyme bakteriellen Ursprungs,
die wirksamer sind als die sonstigen pflanzlichen Diastasen, wie beispielsweise
die des Malzes, gute Ergebnisse zu erzielen, empfiehlt es sich, (las Weichen des
Getreides in der Weise vor sich gehen zu lassen, daß die ganze Masse des Getreides
sich schnell und gleichmäßig mit Wasser sättigt, damit die Zerkleinerung eine möglichst
vollkommene sei. Das Getreide soll vorzugsweise in warmem Wasser geweicht werden,
ja, es empfiehlt sich, das Weichwasser so heiß als möglich zu nehmen, ohne jedoch
die Temperatur zu erreichen, bei welcher alle Stärketeilchen vollkommen verkleistert
werden (siehe die Tabelle auf Seite io von Maerckers Handbuch der Spiritusfabrikation,
9.- Auflage). ' Bei Verarbeitung von mehligen Körnern genügt es, sie 25 bis
3o Prozent Wasser aufnehmen zu lassen, für hornige oder glasige Körner soll die
Menge des aufgenommenen Wassers 45 bis 6a Prozent erreichen.
-
Um eine gleichmäßig rasche Wasseraufnahme in der ganzen Masse des
Getreides zu erzielen und gleichzeitig zu vermeiden, daß im Ouellstocke Infektionen
auftreten, besteht die Notwendigkeit, eine gleichmäßige Temperatur an allen Punkten
des Weichgutes aufrechtzuerhalten. Es ist einleuchtend, daß, wenn man im oberen
Teil des Duellstocks eine Temperatur von 70° und unten eine Temperatur von q.5°
hätte,- sich sehr bald eine lebhafte Buttersäuregrung einstellen würde,- wodurch
natürlich die Qualität der Fabrikationsprodukte beeinträchtigt würde. -Die im vorstehenden
erwähnten »verflüssigenden Enzyme« sind diejenigen bakterien-bzw. enzymehaltigen-
Flüssigkeiten, welche direkt nach dem oben geschilderten Kulturverfahren erhalten
sind. Sie haben nicht immer die gleiche verflüssigende Wirkung, und auch die zu
verwendende Menge hängt von der Art der Maische ab. Aus diesem Grunde erklären sich
auch die Schwankungen und » die Verschiedenheit der verwendeten-Menge in den beiden
Beispielen.