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Gärs chaumb ekämpfungsmittel Die Erfindung bezieht sich auf ein Mittel
zur Verminderung oder Verhütung übermäßiger Schaumentwicklung bei der Züchtung von
Hefe, Schimmelpilzen, Bakterien, verwandten Fermentationsmikroorganismen, deren
Stoffwechsel- und Nebenprodukten, wie Penicillin, Streptomycin u. dgl. Dieses Gärschaumbekämpfungsmittel
ist ein Rondensationsprodukt, von etwa 0,75 bis 6 Mol Äthylenoxyd mit I Mol Abietinsäure
oder einem diese Menge Abietinsäure enthaltenden Material, das den Nährlösungen'
zugefügt wird.
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In der Praxis der Fermentationsindustrie werden Hefe, Schimmelpilze,
Bakterien, verwandte Fermentationsmikroorganismen, deren Stoffwechsel- und Nebenprodukte,
wie Penicillin, Streptomycin u. dgl., in geeigneten Nährmedien gewonnen oder gezüchtet,
die Kohlehydrate, wie Zucker, Stärke u. dgl., eine übliche Stickstoffquelle, Nährstoffe
und verschiedene Salze, die wichtige Mineralstoffe zuführen, enthalten.
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Diese Nährmedien zerfallen in zwei Hauptklassen, in natürliche und
synthetische.
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Natürliche Nährmedien sind Frucht- oder Pfianzensäfte in ihrem natürlichen
Zustand, so sind z. B. Preßsäfte von Trauben, Äpfeln, Birnen und anderen Früchten
ausgezeichnete Medien, da sie außer Zuckern auch stickstoffhaltige Verbindungen
und gelöste Salze bei einem für die Entwicklung der genannten Fermentationsmikroorgamsmen,
deren Stoffwechsel- und Nebenprodukte günstigen pH enthalten.
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Synthetische Medien sind künstlich hergestellte, wäßrige Mischungen,
die Zucker, verschiedene anorganische Salze und organische Verbindungen enthalten.
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Ein typisches Beispiel dafür ist eine Mischung aus geeigneten Mengen
Rübenmelasse, Tricalciumphosphat, Dinatriumphosphat, Harnstoff, konzentrierter Schwefel-
oder Phosphorsäure und Wasser.
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Bei der industriellen Gewinnung von Fermentationsmikroorganismen,
deren Stoffwechsel- und Nebenpro-
dukten ist es vorteilhaft, die
Nährmedien während der Züchtung zu durchlüften, um in möglichst kurzer Zeit gute
Ausbeuten des erstrebten Produkts zu erzielen.
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So verläuft z. B. die Züchtung von Hefe ohne Belüftung verhältnismäßig
langsam. Außerdem wächst dabei die Ausbeute an Alkohol auf Kosten der Ausbeute an
Hefe. Dieser Nachteil wird zwar durch die Belüftung aufgehoben, dafür tritt eine
lästige Schaumbildung auf, die bereits durch mechanische und chemische Gegenmittel
bekämpft worden ist. Jedoch waren diese in der einen oder anderen Beziehung nicht
völlig befriedigend, so daß der Wunsch nach Verbesserungen bestehenblieb.
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Die Erfindung betrifft derartige gewerblich durchführbare Verfahren
und Mittel, um eine übermäßige Schaumbildung bei der Züchtung von Hefe, Schimmelpilzen,
Bakterien, verwandten Fermentationsmikroorganismen, deren Stoffwechsel- und Nebenprodukten
zu hemmen, zu vermindern oder zu verhüten.
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Die Erfindung fußt auf der überraschenden Entdeckung, daß ein Zusatz
einer verhältnismäßig geringen Menge eines Äthylenoxydderivats der weiter unten
beschriebenen Art zu natürlichen oder synthetischen Nährmedien bei der Züchtung
und Gewinnung von Fermentationsmikroorganismen, deren Stoffwechsel- und Nebenprodukten
ein übermäßiges Schäumen bei der Durchlüftung entweder völlig verhindert oder zumindest
stark verringert. Mit anderen Worten, die so behandelten Medien sind praktisch nicht
schäumend bzw. sind nicht fähig, beim Durchlüften übermäßige Mengen SchaUm zu entwickeln.
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Die zur' Verhinderung oder Verminderung des Schäumens anzuwendende
Menge eines Äthylenoxydderivats kann innerhalb weiter Grenzen, die von verschiedenen,
weiter unten genannten Bedingungen abhängen, schwanken, doch ist es aus wirtschaftlichen
Gründen zu empfehlen, nicht mehr als IO Gewichtsprozent, bezogen auf das Nährmedium,
von diesem Material zu verwenden. Im allgemeinen genügen ungefähr 0,OOI bis 3 Gewichtsprozent,
vorzugsweise 0,I bis 0,2 Gewichtsprozent eines Äthylenoxydderivats, um die Schaumbekämpfung
in den meisten Fällen erfolgreich durchzuführen. Auch größere oder geringere Mengen
können, wenn erforderlich oder erwünscht, verwendet werden.
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Die Ätm&lenoX-.eÜyate der Erfindung werden durch Kondensieren
von AbwetBitnsäuve oder diese enthaltenden Produkten, z. B. Harzen, Harzölen oder
Talk, mit etwa o,75 bis 6 Mol Äthylenoxyd je Mol Abietinsäure oder Tallöl hergestellt.=In
Gewichtsteilen ausgedrückt, werden diese Derivate durch Kondensieren von ungefähr
I bis 9,5 Gewichtsteilen Harz oder Harzöl (berechnet auf Abietinsäure) oder von
ungefähr I bis IO,5 Gewichtsteilen Tallöl (durchschnittliches Molekulargewicht 290
bis 338) mit I Gewichtsteil Äthylenoxyd erhalten. Der Ausdruck Mol Tallöl bezieht
sich auf das durchschnittliche Molekulargewicht der Bestandteile des Tallöls.
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Die Zusammensetzung von Tallöl unterliegt beträchlichen Schwankungen,
die zum Teil von der Art der Holzverarbeitung, der Jahreszeit, in der der Baum gefällt
wurde, dem Alter des Baumes, der Lagerzeit des Holzes, der Art der Verarbeitung
der Holzspäne, der Umwandlung der Schwarzlaugen in Tallöl und anderen Umständen
abhängen. So ergab die Analyse von 15 Tallölproben verschiedener Herkunft Werte
an Fettsäure von 36 bis 54 O/o Fettsäure, 38 bis 58 01o Harzsäure und zwischen 6
und 18% Unverseifbares. Im Hinblick auf diese Schwankungen in der Zusammensetzung
ist es verständlich, daß auch das durchschnittliche Molekulargewicht des Tallöls
beträchtlich schwanken kann.
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Für ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung sei auf
die folgende Beschreibung der zur Ausnutzung der Antischaumwirkung der Äthylenoxydderivate
der vorliegenden Erfindung benutzten Verfahren und Vorrichtungen verwiesen und ebenso
auf die weiter unten wiedergegebenen experimentellen Werte, die die Wirksamkeit
oben genannter Verbindungen zur Verhinderung oder Verminderung übermäßigen Schäumens
zeigen.
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Die Apparatur bestand in der Hauptsache aus einem Wasserbad mit konstanter
Temperatur, das mit emem Rührer, einer Heizspirale und einem geeigneten thermostatischen
Regler, durch den die Badtemperatur auf 30 bis o,2° gehalten wurde, versehen war,
einem in dem Wasserbad stehenden, rohrförmigen Pyrex-Schaumturm (48 mm Durchmesser,
55 cm Höhe), der in 3 cm Entfernung vom Boden eine grobgefrittete Scheibe enthielt
und eine Zuführung für Luft, die durch ein Glaswollfilter, einen Durchflußmesser
und ein durch das Bad in den Turm unmittelbar über dessen Boden führendes Rohr geleitet
wurde.
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Die Luft wurde in Mengen von 3,541 pro Minute in den Boden des Turmes
geleitet, von wo sie durch die gefrittete Scheibe trat und kleine Bläschen bildete.
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Das in dieser Apparatur verwendete, schaumbildende Material wurde
in folgender Weise hergestellt: Ein handelsüblicher Zuckerrohrsirup wurde durch
Zugabe von Salzsäure auf pa 4,5 eingestellt und mit Wasser bis zum spezifischen
Gewicht I,O39 bei 20°/20° verdünnt. Dieses Produkt wurde in l/2-l-Einmachgläser
gefüllt, dampfsterilisiert und durch Luft abgekühlt. Zur Herstellung des schaumbildenden
Materials wurde der so behandelte Sirup mit Backhefe in den weiter unten angegebenen
Mengen vermischt und zur völligen Suspendierung der Hefe 5 Minuten lang mechanisch
gerührt.
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Das Bad und der Schaumturm wurden auf ungefähr 30° gebracht und die
Luftzufuhr angestellt. Dann wurde das eben beschriebene schaumbildende Material
in den Schaumturm gegeben und kontinuierlich durchlüftet, um die Hefe zu reaktivieren.
Die eingetretene Reaktivierung der Hefe war leicht an der Art des Schaumes zu erkennen,
da dieser sich völlig von dem vor der Reaktivierung erzeugten unterschied. Dieser
Unterschied beruht wahrscheinli§ch auf den Veränderungen der Zellenoberfläche infolge
des tAbergangs von der Ruhe zur aktiven Atmung.
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Sobald die Hefe reaktiviert war und der Schaum im Turm zu steigen
begann, wurde das Antischaummittel zugegeben und der Zeitpunkt des Zusatzes vermerkt.
Dann wurde die bis zum Versagen des Antischaummittels verstreichende Zeit festgestellt
und ebenfalls vermerkt. Nach Versagen des Antischaummittels wurde die Hefe vom Sirup
getrennt, dreimal
mit kaltem, destilliertem Wasser gewaschen und
auf Virulenz und Geruch untersucht.
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Die Virulenz der Hefe wurde nach ihrer äußeren Erscheinung und ihrem
Verhalten auf dem Filter beurteilt. Da die Versuche weniger als I8 Stunden dauerten,
war der Sirup durch die Hefe noch nicht völlig verbraucht. Daher war auch eine Gasentwicklung
noch auf dem Filter zu beobachten infolge Fortsetzung der Atmung. Wäre andererseits
die Hefe durch das Antischaummittel geschädigt worden, hätte kein Weiteratmen auf
dem Filter erfolgen können, und überdies hätten die Zellen dann ihre Gestalt geändert
gehabt unter Bildung kleiner, dichtgepackter Zellen und Zellenverbände, die die
Filtrierzeit wesentlich verlängert hätten.
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Nach dem eben beschriebenen Verfahren der Anwendung von Antischaummitteln
wurden Tallöl und verschiedene Äthylenoxydderivate desselben untersucht mit den
aus der folgenden Tabelle ersichtlichen Ergebnissen:
| Giftwirkung des Durch- |
| Geruch Schaum- |
| Antischaum- lüftungs- |
| Zusammensetzung des Nährmediums Antischaummittel der höhe |
| mittels dauer in |
| Endhefe in cm |
| auf die Hefe Stunden |
| Zuckerrohrsirup (spezifisches Gereinigtes Tallöl (spezifisches |
| Gewicht 1,039) .. 207,8 g Gewicht bei 25°/25° 1,066) normal
nicht giftig 2,5 15,0 |
| Backhefe ........ 2,0 g |
| Antischaummittel . . 0,25 cm³ |
| Zuckerrohrsirup ... 104,0 g Kondensationsprodukt von 0,25 |
| Backhefe .......... 1,0 g Mol Äthylenoxyd mit 1 Mol normal
nicht giftig 0,5 45 |
| Antischaummittel .. 0,2 cm3 gereinigtes Tallöl |
| Zuckerrohrsirup ... 104,0 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 1,0 g 0,50 Mol Äthylenoxyd mit normal nicht
giftig 0,5 40 |
| Antischaummittel .. 0,2 cm3 1 Mol gereinigtes Tallöl |
| Zuckerrohrsirup ... 104,0 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 1,0 g 0,75 Mol Äthylenoxyd mit normal nicht
giftig 6,0 10 |
| Antischaummittel .. 0,2 cm3 1 Mol gereinigtes Tallöl |
| Zuckerrohrsirup ... 207,8 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 2,0 g 1 Mol Äthylenoxyd mit 1 Mol normal
nicht giftig 4,0 0,5 |
| Antischaummittel .. 0,05 cm3 gereinigtes Tallöl (spezifisches |
| Gewicht bei 25°/25° 0,997I) |
| Zuckerrohrsirup ... 52,0 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 0,5 g 1 Mol Äthylenoxyd mit 1 Mol normal
nicht giftig 7,0 0,5 |
| Antischaummittel .. 0,2 cm3 gereinigtes Tallöl (spezifisches |
| Gewicht bei 250/250 0,997I) |
| Zuckerrohrsirup ... 207,8 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 2,0 g 2 Mol Äthylenoxyd mit 1 Mol normal
nicht giftig 6,5 0,5 |
| Antischaummittel .. 0,05 cm3 gereinigtes Tallöl |
| Zuckerrohrsirup ... 207,8 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 2,0 g 3,08 Mol Äthylenoxyd mit normal nicht
giftig 6,0 0,5 |
| Antischaummittel .. 0,05 cm3 1 Mol Tallöl (spezifisches Ge- |
| wicht bei 25°/25° I,022) |
| Zuckerrohrsirup ... 207,8 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 2,0 g 5 Mol Äthylenoxyd mit 1 Mol normal
nicht giftig 6,0 0,5 |
| Antischaummittel .. 0,05 cm3 gereinigtes Tallöl (spezifisches |
| Gewicht bei 250/250 I,040) |
| Zuckerrohrsirup ... 52,0 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 0,5 g 6 Mol Äthylenoxyd mit 1 Mol normal
nicht giftig 18 0 |
| Antischaummittel .. 0,2 cm3 gereinigtes Tallöl |
| Zuckerrohrsirup ... 52,0 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 0,5 g 7 Mol Äthylenoxyd mit 1 Mol normal
nicht giftig 1/3 über 55 |
| Antischaummittel .. 0,2 cm3 gereinigtes Tallöl |
| Zuckerrohrsirup ... 207,8 g Kondensationsprodukt von |
| Backhefe .......... 2,0 g 8 Mol Äthylenoxyd mit 1 Mol normal
nicht giftig 0,1 20 |
| Antischaummittel .. 0,05 cm3 gereinigtes Tallöl (spezifisches |
| Gewicht bei 25°/25° 1,054) |
Vorstehende Tabelle zeigt, daß Kondensationsprodukte von etwa 0,75
bis 6 Mol Äthylenoxyd mit 1 Mol Tallöl hervorragende Antischaummittel sind, während
Kondensationsprodukte von weniger als o,75 oder mehr als 6 Mol Äthylenoxyd mit 1
Mol Tallöl für diesen Zweck wertlos sind, da sie entweder das Schäumen sogar fördern
oder zumindest ohne Einfluß auf das Schäumen sind.
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Die vorstehenden experimentellen Werte betreffen zwar nur Nährmedien
für Hefezüchtung, doch ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf dieses Gebiet
beschränkt. Der Bereich der Erfindung ist, wie bereits dargelegt, viel weiter, denn
sie ist in weitem Maße zur Lösung des bei Verwendung von Nährmedien zur Züchtung
von, ganz allgemein, Fermentationsmikroorganismen auftretenden Schaumproblems geeignet.
Dies soll durch die folgenden, ebenfalls im Bereich der Erfindung liegenden Beispiele
nichtschäumender Nährmedien belegt werden.
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Nährmedien für Hefe und Schimmelpilze
| g g g |
| Zucker .............. 10,00 10,00 15,00 |
| Dextrin ............. - 0,60 - |
| NH4Cl ............... 0,12 0,19 - |
| K2HPO4 (oder |
| KH2PO4) ............. 0,05 0,10 0,10 |
| CaCl2 ............... 0,01 0,10 - |
| Ca3(PO4)2 ........... - - 0,10 |
| MgSO4................ 0,02 - 0,10 |
| Kondensationsprodukt |
| von 1 Mol Äthylen- |
| oxyd und 1 Mol Tallöl 0,25 0,25 0,25 |
| Wasser .............. 100,00 100,00 100,00 |
Nährmedium für Penicillin
| Gewichts- |
| prozent |
| Lactose ............................. 2,500 |
| Dextrose ............................ 0,500 |
| Maislaugenrückstand (fest) .......... 2,000 |
| ZnSO4 ............................... 0,005 |
| CaCO3 ............................... 0,100 |
| Vorstufe*) .......................... 0,050 |
| Impfstoff (Penicillium notatum) ..... 7,000 |
| Kondensationsprodukt von 3 Mol |
| Äthylenoxyd und 1 Mol Tallöl ........ 3,000 |
| Wasser .............................. 84,815 |
*) Als Vorstufe können z. B. ß-Phenyläthylaminacetat-N - (2, 2-Diäthoxyäthyl)-phenylacetamid,
N - (r, 3-Dioxy-2-propyl) - phenylacetamid, Phenäthylamin, ß-p-Oxyphenäthylamin,
Phenacetonitril, Phenylacetamidin, ß-Phenylalanin, Phenylbrenztraubensäure, Phenylacetamid,
Phenylacetaldehyd, Phenylessigsäure und Phenylacetylglycin verwendet werden. Nährmedium
für Streptomycin
| Gewichts- |
| prozent |
| Kohlehydrat (Trockengewicht) ......... 2,00 |
| Sojabohnenmehl ....................... 2,00 |
| Maislaugenrückstand (fest) ........... 0,50 |
| NaCl ................................. 0,25 |
| CaCO3 ................................ 0,10 |
| Impfstoff (Streptomyces griseus) ..... 7,00 |
| Kondensationsprodukt von 1 Mol |
| Äthylenoxyd und 1 Mol Tallöl ......... 3,00 |
| Wasser ............................... 85,95 |
Wie bereits erwähnt, ist es aus wirtschaftlichen Gründen nicht nötig, von dem Äthylenoxydderivat
mehr als 10 Gewichtsprozent den zur Züchtung von Hefe, Schimmelpilzen, Bakterien,
verwandten Fermentationsmikroorganismen, deren Stoffwechsel- und Nebenprodukten,
wie Penicillin, Streptomycin u. dgl., zu verwendenden Nährmedien zuzusetzen, doch
können gewünschtenfalls auch größere Mengen angewandt werden. Im allgemeinen genügen
etwa o,ooI bis 3 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 0,1 bis I,O Gewichtsprozent,
um sonst auftretendes Schäumen der Nährmedien zu unterdrücken.
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Minimum, Optimum und Maximum der von Äthylenoxydderivat zum Unterdrücken
des Schäumens anzuwendenden Menge hängen mehr oder weniger von einer ganzen Anzahl
Umständen ab, z. B. vom gewählten Antischaummittel selbst, von dem zu züchtenden
Fermentationsmikroorganismus, von Zusammensetzung, pp und Temperatur des Nährmediums,
vom Verhältnis Volumen zur Oberfläche des Nährmediums, von der Bläschengröße, von
dem Druck der Durchlüftungsluft und von Stärke und Dauer der Durchlüftung. Daher
ist jeder Versuch, eine für alle Fälle passende prozentuale Menge Antischaummittel
zahlenmäßig anzugeben, von vornherein undurchführbar und sinnlos. Da diese aber
in jedem einzelnen Falle vom Fachmann leicht festgestellt werden kann, genügt es,
ganz allgemein zu sagen, daß das Antischaummittel in einer zur Unterdrückung des
Schäumens erforderlichen Menge angewandt werden soll.