-
Verfahren zur Gewinnung von Zitronensäure aus Melasse durch submerse
Schimmelpilzgärung Die' Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Citronensäu.re
durch submerse Sch@immelpilzgä.rungen aus Melasse.
-
Man hat bereits verschiedene Vorschläge gemacht, um die Schwierigkeiten
der submersen Schimmelpilzgärungen zu beheben. Man hat die Melasse verschiedenerlei
vorbehandelt, z. B. mit Wasserstoffsuperoxyd, durch Filtration mit Aktivkohle oder
durch Vorbehandlung mit Ionenaustauschern. Auch hatte man die Schimmelpilzgärung
unter Belüftung und Rühren in zwei voneinander räumlich und zeitlich getrennte Phasen
(A- und B-Gärung) geteilt.
-
Es wurde nun gefunden, daß, die Gewinnung von Citronensäure mittels
submerser Gärungen dadurch weiter verbessert werden kann, daß die Belüftungsintensität
in Abhängigkeit von dem Redoxpotential der Maischen so geregelt wird, daß ein rH
von 2o bis 2q., vornehmlich 21 bis 22, eingehalten wird.
-
'Zweckmäßig werden die Maischen schon vor der Beimpfung derart belüftet,
daß zum Zeitpunkt der Beimpfung ein, rH höher als 20, vornehmlich 22, erreicht ist.
Außer den bekannten erforderlichen Nährsalzen und Spurenelementen kann man den Maischen
noch in bekannter Weise Molybdänsalze als Aktivatoren zufügen.
-
Selbstverständlich kann das im zweiten Teil des Gärprozesses (B-Gärung)
aktive Pilzmycel nach: Beendigung der Säuerung von der Flüssigkeit abgetrennt, gewaschen
und entweder für eine neue
Gärung der Stufe B verwendet oder durch
Trocknung und Mahlung auf ein eiweißreiches Futtermittel weiterverarbeitet werden..
Die Wiederverwendung wird so lange durchgeführt, biss Ermüdungserscheinungen, schleppende
Gärungen oder Infektionen auftreten, worauf man zu frischem Mycel, aus einer A-Stufe
stammend, zurückkehrt.
-
Im folgenden soll nun das erfindungsgemäße Verfahren an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele teilen sich in Melasseklärung,
Züchtung des Pilzmycels (A-Gärung) und eigentliche Säuerung (B-Gärung). Beispiele
i. Melasseklärung a) ioo kg Rübenmelasse werden unter Erwärmen auf 6o0 mit Wasser
auf ein Volumen von 3001 verdünnt und mit Kalkmilch auf ein PH von 7,8 bis 8 oder
weniger gebracht. Melasse normaler, schwach alkalischer Reaktion vorausgesetzt,
sind hierzu ungefähr o, i kg Ca(OH)2 erforderlich. Die Flüssigkeit wird zum Sieden
erhitzt und so, viel Natriumkarbonat eingetragen, daß ein pH von 9,2 bis 9,5 erreicht
wird und ein weiterer Zus,a)tz einer kleinen Menge Natriumkarbonat keine Fällung
mehr erzeugt. Hierzu werden ungefähr 2 kg Natriumkarbonat benötigt. Das Kochen wird
1/2 Stunde fortgesetzt und hierauf der gebildete Niederschlag durch Dekantieren,
Filtrieren mit oder ohne Zusatz von Filterhilfsmitteln, Zentrifugieren oder eine
andere geeignete Methode abgetrennt. Die geklärte Melasselösung wird nach Bedarf
für die Gärungen verwendet und enthält im -Durchschnitt 16o bis 170 g Zucker im
Liter.
-
b) ioo kg Rübenmelasse werden unter Erwärmen mit Wasser auf ein Volumen
von 3001 verdünnt und mit einer konzentrierten Chlorcalciumlösung, entsprechend
o, i kg (0,o5 bis o,.15 kg) Ca C12, versetzt. Die Flüssigkeit wird zum Sieden-Erhitzt
und mit Natriumkarbonat auf ein pg von 9,2 bis 9,5 gebracht. Das Kochen wird mindestens
durch 1/2 Stunde fortgesetzt und die Flüssigkeit, wie unter a) beschrieben, weiterbehandelt
und verwendet. 2. Züchtung des Pilzmycels (A-Gärung) a) Melasse, die durch eine
der im Beispiel i beschriebenen Methoden oder auf eine andere Weise geklärt wurde,
wird mit Wasser, das von Härtebildnern weitgehend-befreit wurde, oder mit destilliertem
Wasser auf einen Zuckergehalt von 25 g im Liter verdünnt, sterilisiert, mit Salzsäure
angesäuert, so daß ein pu von 2 erreicht wird; und mit Nährsalzen und Spurenelementen
versetzt. Für die Menge der Nährsalze .und Spurenelemente läßt sich keine feste
Regel aufstellen. Die Dosierung richtet sich nach den Erfordernissen des zu verwendenden
Pilzstammes und muß empirisch ermittelt werden. Für den verwendeten Stamm eines
Aspergillus niger Van Tieghem hat sich nachstehende Dosierung je Liter als optimal
ergeben: 2,5 g -NH4M03, 1 9 Mg S04, o, i g KH2P04, 13 mg Zn S 04,
0'15 mg CU S 04, 0, 15 mg Mn S 04, o,5 mg FeC13, 0,o5 mg (NH4)1bM012041'
7 aq.
-
Die Nährlösung wird auf Gärtemperatur gebracht und mit einer Sporenemulsion.
(z. B. Asp.-niger-Sporen) derart beimpft, daß im Liter 5 bis io Millionen Sporen
enthalten sind. -Die Temperatur wird zwischen a5 und 35' gehalten und die
Flüssigkeit unter intensivem Rühren mit feinverteilter, steriler und mit Wasserdampf
gesättigter Luft oder Sauerstoff oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas, mit
oder ohne Gegendruck, derart lebhaft belüftet, daß ein rH von a1 bis 22 rasch erreicht
wird und während der ganzen Gärdauer erhalten bleibt. Nach Absinken des Zuckergehaltes
auf weniger als 3 9/l, was nach 72 Stunden der Fall ist, wird das- gebildete Pilzmycel
unter aseptischen Bedingungen durch Pressen, Zentrifugieren, Filtrieren .oder eine
andere geeignete Maßnahme abgetrennt, mit physiologischer Kochsalzlösung, die mit
Salzsäure auf ein pH von 3 angesäuert worden war, oder mit einer anderen isotonischen,
schwach sauer reagierenden, nährsalz-und spurenelementefreien Salzlösung gewaschen
und . nach Suspension in reiner steriler Waschflüssigkeit zur Einleitung einer Säuerung
(B-Gärung) verwendet: Bei dieser Züchtungsoperation werden je Liter 45 bis 6o g
feuchtes Pilzmycel von 30°/a Trockensubstanz oder 54 bis 72 g Myceltrockensubstanz
je ioo g eingesetzten Melassezucker gewonnen.
-
b) Melasse, die durch eine der im Beispiel i beschriebenen Methoden
oder auf eine andere Weise geklärt wurde, wird mit Wasser, das von Härtebildnern
weitgehend befreit wurde, oder mit destilliertem Wasser auf. einen Zuckergehalt
von 5o g/1 verdünnt und, wie im Beispiel z a) beschrieben, angesäuert und mit Nährsalzen
versetzt. Nach Einstellung der Gärtemperatur, noch vor der Beimpfung, wird die Flüssigkeit
so lange durchlüftet, bis ein rH von 23 erreicht ist, und erst jetzt die Beimpfung
mit der Sporenemulsion vorgenommen. Die Regelung der Belüftung während der Gärung
wird derart durchgeführt, daß ständig ein rH von 22 eingehalten wird. Nach 65 bis
70 Stunden ist der Zuckergehalt der Maische unter 3 9/l gesunken, die Gärung
wird abgebrochen und das gebildete Mycel, wie im Beispiel 2 a) ausgeführt, abgetrennt
und verwendet. Bei dieser Operation werden -je Liter 75 bis 9o g feuchtes Mycel
von 300/a Trockensubstanz oder 45 bis 54 g Myceltröckensubstanz je ioo g eingesetzten
Melassezucker gewonnen.
-
c) Man verfährt wie in den Beispielen 2 a) oder 2 b) angegeben, aber
es wird nicht die gesamte Flüssigkeitsmenge, sondern nur ein kleiner Teil, 1/° bis
1/s, mit den Sporen beimpft, und die Hauptmenge, 2/s bis 5/°, mit den aliquoten
Nährsalzen schubweise oder kontinuierlich der Gärung zugefügt. Mit der Zugabe wird
begonnen, sobald der Zuckergehalt unter io gll gesunken ist, und weiter so geregelt,
daß der Zuckergehalt zwischen 5 und io g11 gehalten wird. 6 Stunden nach Zugabe
der letzten Nährflüssigkeit - nach insgesamt 65 Stunden - ist die Züchtungsoperation-beendet,
und
es wird weiter so verfahren, wie in den Beispielen 2 a) oder 2 b) ausgeführt. Hierbei
werden je ioo g eingesetzten Melassezucker 65 bis 8o g. Myceltrockensubstanz geerntet.
3. Eigentliche Säuerung (B-Gärung) a) ioo 1 nach Beispiel i a) oder i b) oder auf
eine andere Weise geklärte, sterile, schwach angesäuerte, mit der üblichen Menge
Ferrocyanidionen versetzte Melasselösung mit einem Zuckergehalt von 165 g Zucker
je Liter wird bei 30° mit einer Suspension von 2ooo g Mycel von 30°/o Trockensubstanz
@in io 1 steriler physiologischer Kochsalzlösung oder einer anderen isotonischen,
nährsalz-und spurenelementfreien wäßrigen Flüssigkeit beimpft.. Das verwendete Mycel
stammt von einer der in den Beispielen 2 a) bis 2 c) beschriebenen Züchtungsoperationen
(A-Gärungen). Unter intensiver Rührung wird die Flüssigkeit mit feinverteilter Luft,
Sauerstoff oder einer Mischung beider unter aseptischen Bedingungen derart belüftet,
daß ein Redoxpotential entsprechend rg 2,1 bis 22 erreicht und eingehalten wird.
Nach 18 bis 24 Stunden tritt starkes Schäumen, das von einem rapiden Abfall des
PH begleitet ist, ein. Die Schaumentwicklung wird mit einem der üblichen Schaumfette
oder besser mit einer Lösung von Oktadekanol oder einem anderen höheren aliphatischen
Alkohol in Mineralöl bekämpft. Nach 5 bis 7 Tagen, während welcher Zeit die Lüftung
stets so geregelt wird, daß das rH nicht unter 2o sinkt und nicht über 23 steigt,
ist die Säuerung beendet, was durch Konstantwerden der titrierbaren Acidität und
Absinken des Zuckergehaltes auf weniger als 3 g/1 erkannt wird. In den Maischen
sind jetzt auf Grund chemischer Analyse erhalten: 11200 g Citronensäure, entsprechend
6811/o auf Zucker, und 33 g Oxalsäure, entsprechend 0,211/o auf Zucker berechnet,
die nach bekannten Methoden aus der von Mycel abfiltrierten oder durch Zentrifugieren
vom Mycel befreiten Maische gewonnen werden. Das abfiltrierte Mycel wird mit physiologischer
Kochsalzlösung gewaschen und entweder für eine neue Säuerung als Impfmaterial verwendet
oder auf Trocknern auf Viehfutter verarbeitet.
-
b) 2o 1 einer Melasselösung, wie sie im Beispiel 3 a) verwendet wurde,
werden unter aseptischen Bedingungen bei Gärtemperatur mit Luft, Sauerstoff oder
einem sauerstoffhaltigen Gas mit oder ohne Gegendruck so lange belüftet, bis ein
rH von 22 erreicht ist. Jetzt werden iooo g Mycel von 3011/o Trockensubstanz, die
in 5 1 physiologischer Kochsalzlösung suspendiert wurden., zugesetzt und unter lebhaftem
Rühren dierart weiterbelüftet, daß ein rH von 2o bis 22 erhalten bleibt. Sobald
das pH auf mindestens 4,5 abgesunken ist, werden kontinuierlich oder schubweise
weitere 8o 1 Melasselösung zulaufen gelassen, wobei die Zulaufmenge so bemessen
wird, daß der Zuckergehalt während der ganzen weiteren Gäreng auf einem Wert von
310 biss 40 g Zucker j e Liter bleibt. Nach q. Tagen ist die gesamte Melassemenge
verbraucht, und nach weiteren 24"Stunden ist der Zuckergehalt auf 2,5 g/1 gesunken
und die Zunahme der titrierbaren Säure zum Stillstand gekommen. Die Gärung wirdabgebrochen
und die Maische auf Citronensäure und Mycel, wie unter 3 a), aufgearbeitet. In der
Maische sind enthalten: ii 88o g Citronensäure --, 7211/o, auf Zucker berechnet,
und 50 g Oxalsäure = 0,511/o, auf Zucker berechnet.
-
c) Es wird, wie im Beispiel 3 b) beschrieben, verfahren, jedoch mit
dem Unterschied, daß die Melasselösung vor Beginn der Gärung statt mit Salzsäure
mit Citronensäure angesäuert und auf ein pH von weniger als 5 gebracht wird. Durch
diese Maßnahme wird ein rascherer Verlauf der Gärung und ein früheres Einsetzen
der Säuerung erreicht, wobei die Ausbeute an Citronensäure auf 7504, bezogen auf
Zucker, ansteigt. q.. Regelung der Belüftungsintensität An Hand des Ausführungsbeispiels
3 b) wird die Regelung der Belüftungsintensität erläutert, die weitgehend vön der
Art der "verwendeten Apparatur abhängig ist.
-
a) Die frisch zubereitete, sterilisierte und auf Gärtemperatur eingestellte
Melasselösung hat für gewöhnlich ein rH von 15 bis 16. Es wird durch ein System
von feingelochten Strahlrohren mit einem sterilen Gemisch von 5011/o Luft und 50%
Sauerstoff in einer Menge von o,q. Nm3/Stunde bei einem Überdruck von
0,05 atü im Gärgefäß belüftet und hierbei das Rührwerk auf eine Umdrehungszahl
von i50 U/min eingestellt. Nach q. Stunden, ist das rH auf 22 gestiegen. Die Beimpfung
wird jetzt vorgenommen und die Belüftung mit reiner Luft in einer Menge von
1,5 Nm3/Stunde und bei einer Tourenzahl von 200 U/min fortgesetzt- Nach weiteren.
12 Stunden wird ein rH von 20 gefunden und demgemäß die Luftmenge auf 2,5 Nm3/Stunde
erhöht. Nach 2 bis 3 Tagen bemerkt man ein allmähliches Ansteigen des rH bis 23,
dem man durch Reduktion der Tourenzahl auf i 5o U/min und der Luftmenge auf 2 Nm3/Stunde,
später auf 1,5 Nm3/Stunde begegnet. Am vierten Tag neigt das unterdessen auf 22
gesunkene rH wieder zum Ansteigen, und demgemäß wird die Tourenzahl auf iooU/min
und dieLuftmenge auf i Nm3/Stunde verringert. Für gewöhnlich kann mit dieser Belüftungsintensität
bis zum Ende der Gärung fortgefahren werden, erforderlichenfalls reduziert man noch
weiter, um ein Ansteigen des rH zu vermeiden.
-
b) Die ursprüngliche Melasselösung habe wieder ein rH von 16. Sie
wird mit reiner Luft, ohne Überdruck, io Stunden mit i Nm3/Stunde bei abgestelltem
Rührwerk belüftet. Nach dieser Zeit findet man ein rH von 23. Die Beimpfung wird
vorgenommen, das Rührwerk mit 8o bis ioo U/min in Gang gesetzt und die Belüftung
mit 2 Nm3/Stunde fortgesetzt. Das rH wird alle q. Stunden bestimmt, und die Luftmenge
bei gleichbleibender Tourenzahl des Rührwerkes in Abhängigkeit von rH so geregelt,
daß ein rH von 2o bis 22 eingehalten wird. Bei dieser Tourenzahl kommt man bis auf
Luftmengen von 5 Nm3/Stunde. Vom vierten Tag an wird die
Luftmenge
immer mehr reduziert, so daß man bei Gärungsende wieder zu ungefähr i Nms/Stunde
gelangt.