DEP0003304DA

DEP0003304DA - Process for the fermentation of solutions containing difficult to ferment sugars

Info

Publication number: DEP0003304DA
Authority: DE
Inventors: Michael Philosophow
Original assignee: Zellstofffabrik Waldhof, Mannheim
Publication date: 1951-03-01

Description

Bei der Spritzgewinnung aus Nadelholzsulfitablaugen wird hauptsächlich aus den Hexosen unter Abspaltung von Kohlensäure Alkohol gebildet. Außerdem konnte man aus Hexosen, die meist aus Rübenzucker und Melassen stammten, Wuchshefe für Nähr- oder Futterzwecke züchten. Später ist es ebenfalls mit den Schimmelpilzen Oidium Lactis oder mit Torula-Wildhefen gelungen, die unvergärbar gehaltenen Zucker, vor allem Pentosen der Buchenholzsulfitablauge, Holzzuckerwürzen u.dgl. zu verhefen, und zwar sowohl zur Herstellung von Nährhefe als auch von Backhefe (deutsche Patentschrift 569 140 und norwegische Patentschrift 38 584).When spraying from softwood sulphite waste liquor, alcohol is mainly formed from the hexoses with the elimination of carbonic acid. In addition, it was possible to grow high-growth yeast for nutritional or fodder purposes from hexoses, which mostly came from beet sugar and molasses. Later it was also possible with the molds Oidium Lactis or with Torula wild yeast to defeat the non-fermentable sugars, especially pentoses of beechwood sulphite waste liquor, wood sugar spices and the like, both for the production of nutritional yeast and baker's yeast (German patent 569 140 and Norwegian patent specification 38 584).

Die Erzeugung von Backhefe aus Sulfitablauge gelang mit Saccharomyces-Rassen, die als Kulturhefen aus den Brauereihefen entwickelt wurden. Hierbei wurde eine von der Hauptmaische gesondert geführte Stellhefe in pflanzlichen Nährstoffen, wie z.B. Malzkeimen, Melasse usw., gezüchtet (deutsche Patentschrift 580 339). Neben jenen Heferassen schlug man zur Gewinnung von Back- und Futterhefen auchThe production of baker's yeast from sulphite waste liquor was successful with Saccharomyces races, which were developed as culture yeasts from brewery yeasts. Here, a yeast separately from the main mash in plant nutrients, such as malt sprouts, molasses, etc., was bred (German patent 580 339). In addition to these yeast breeds, bakeries and fodder yeasts were also suggested

Gärungsprodukte aus Azetobacter und Clostridium vor, welche in sterilisierter und gekühlter Lauge unter reichlicher Luftzufuhr bei fast neutraler Reaktion zur Gärung angesetzt wurden. Die Entfernung der rasch wachsenden Hefe erfolgte kontinuierlich. (Zeitschrift für Papier, Pappe, Zellulose und Holzstoff 1940, Seite 102).Fermentation products from Azetobacter and Clostridium, which were prepared for fermentation in sterilized and cooled liquor with an ample supply of air with an almost neutral reaction. The rapidly growing yeast was removed continuously. (Journal for paper, cardboard, cellulose and wood pulp 1940, page 102).

Nach weiteren Forschungen sollen ebenfalls Hefepilze von Algen des Murmanstrandes isoliert, genannt Monilia murmanica, teilweise Pentosen neben Glukose, Lävulose, Saccharose, Laktose und Maltrose verwerten. Nach Versuchen wurden mit dieser Rasse bei starker Belüftung Hydrolysate von Maiskolben und Stroh in Futterhefe umgesetzt (Microbiologie der UdSSR. Vol. 4, 1935 p. 86-95, Ref. in "Zentralblatt für Bakteriologie" II. Abt. Bd. 94, S. 354/355).According to further research, yeasts isolated from algae of the Murman beach, called Monilia murmanica, are said to partially utilize pentoses in addition to glucose, levulose, sucrose, lactose and maltrose. After experiments with this breed, hydrolysates of corn on the cob and straw were converted into feed yeast with strong ventilation (Microbiology of the USSR. Vol. 4, 1935 p. 86-95, Ref. In "Zentralblatt für Bakteriologie" II. Dept. Vol. 94, p . 354/355).

Trotz dieser Erkenntnisse neigte man bis heute zu der Auffassung, daß die Saccharomyces-cerevisiae Heferassen in der Hauptsache einfache Hexosen vergären und Pentosen nur bis zu etwa 10% ausnutzen.Despite these findings, there has been a tendency to the present day to believe that the Saccharomyces cerevisiae yeast breeds mainly ferment simple hexoses and only utilize pentoses up to about 10%.

Bei der Auswahl neuer Heferassen für einen bestimmten gewerblichen Zweck muß die ausgewählte Hefe durch passende Behandlung und Kontrolle ihres physiologischen Zustandes zur Entfaltung und Erhaltung ihrer Höchstleistungen gebracht werden. Die Anwesenheit sowie der Wirkungsgrad der verschiedenen Enzyme und Enzymgruppen beeinflussen nämlich je nach Art und Menge und je nach dem Grad ihrer Aktivität die verschiedenen Funktionen der Hefe.When selecting new yeast breeds for a specific commercial purpose, the selected yeast must be brought to develop and maintain its maximum performance through appropriate treatment and control of its physiological condition. The presence and the degree of effectiveness of the various enzymes and enzyme groups influence the various functions of the yeast depending on the type and amount and depending on the degree of their activity.

Unter Berücksichtigung dieser bekannten Gesichtspunkte konnte gefunden werden, daß auch mit Saccharomyces-cerevisiae Heferassen (Kulturhefen) Pentosen, Oligosaccharide und andere schwer vergärbare Zuckerarten bis zu 90-95% zum Zwecke der Herstellung von Backhefe dann verhefbar sind, wenn eine Anpassung dieser Kulturhefen an die Verhefungsflüssigkeit und Führung der ersten Verhefung in verdünnter Flüssigkeit ohne jegliche pflanzliche Nahrung erfolgt, während bei der eigentlichen Verhefung mit Sauerstoffträgern oder Luftzuführungen gearbeitet wird, welche eine derart feinste Verteilung gestatten, daß man mit einem Luftbedarf unter 15 m(exp)3 Luft pro kg Hefetrockensubstanz auskommen kann.Taking these known aspects into account, it was found that with Saccharomyces cerevisiae yeast breeds (culture yeasts) pentoses, oligosaccharides and other types of sugar that are difficult to ferment up to 90-95% can be used for the production of baker's yeast if these culture yeasts are adapted to the Fermentation liquid and the first fermentation in diluted liquid takes place without any vegetable food, while the actual fermentation is carried out with oxygen carriers or air supplies, which allow such a finest distribution that with an air requirement of less than 15 m (exp) 3 air per kg of dry yeast substance can get along.

Der Luftbedarf beträgt bei stillstehenden normal perforierten Körpern 40-60 m(exp)3 pro kg Hefetrockensubstanz und bei verbessertem Feinbelüftungsverfahren, z.B. nach Patent Vogelbusch ca. 25-30 m(exp)3/pro kg Hefetrockensubstanz. Nach der Erfindung kommen Lüftungsverfahren nach den deutschen Patentschriften 744 678 und 759 121 zur Verwendung, bei denen die Luft so intensiv mit der Nährflüssigkeit vermischt wird, daß kein Schaum mehr entsteht, sondern der ganze Bütteninhalt zu einer Luft-Flüssigkeitsemulsion umgewandelt wird. Hierdurch ergibt sich einerseits eine erhebliche Verminderung des Luftbedarfes auf 5-10 m(exp)3 pro kg Hefetrockensubstanz, d.h. auf 1/3 - 1/4 des bisherigen Luftbedarfes und andererseits eine besondere intensive Sauerstoffübertragung auf die Hefe, wodurch deren Vermehrung außerordentlich beschleunigt wird.The air requirement for stationary normally perforated bodies is 40-60 m (exp) 3 per kg of dry yeast substance and with an improved fine ventilation process, e.g. according to the Vogelbusch patent, approx. 25-30 m (exp) 3 / per kg of dry yeast substance. According to the invention, ventilation methods according to German patents 744 678 and 759 121 are used, in which the air is mixed so intensively with the nutrient fluid that no more foam is produced, but the entire contents of the paper are converted into an air-liquid emulsion. On the one hand, this results in a considerable reduction in the air requirement to 5-10 m (exp) 3 per kg of dry yeast substance, i.e. 1/3 - 1/4 of the previous air requirement and, on the other hand, a particularly intensive oxygen transfer to the yeast, which greatly accelerates its growth .

Diese Verfahren gestatten außerdem eine vollkommen kontinuierliche Arbeitsweise.These processes also allow a completely continuous operation.

Die zur Verhefung verwendeten Saccharomyces-cerevisiae Heferassen müssen durch geeignete Kulturen für die in Frage kommende Nährflüssigkeit geeignet gemacht werden. Als Nährflüssigkeit dienen Ablaugen der Zellstoffherstellung, z.B. Buchensulfitablauge, Holzzuckerwürzen, Vorextrakte des Sulfitverfahrens oder sonstige zuckerhaltige Flüssigkeiten. Die Anfangsverhefung wird zunächst in verdünnter Flüssigkeit (bei Buchensulfitablauge ca. 1 : 6) ohne jegliche zusätzliche pflanzliche Nahrung einige Tage geführt und dann auf unverdünnte Flüssigkeit unter Zugabe der üblichen Nährsalze umgestellt. Diese Haupt-Verhefung erfolgt dann kontinuierlich, wobei ständig die bereits verhefte Flüssigkeit abgezogen und neue unverhefte Flüssigkeit zugeführt wird. Es kann damit gerechnet werden, daß bei eienr kontinuierlichen Verhefung ohne Vorbereitung von Zuchthefe in besonderen Nährlösungen nach etwa 2 Wochen eine ständige Konzentration und Hefeausbildung erreicht ist, welche eine verkaufsfähige Backhefe mit hoher Triebkraft ergibt. Es können auch Aktivatoren zur Übertragung des Sauerstoffes der Luft herangezogen werden, welche sich entweder in der Hefe selbst bilden, oder von außen, z.B. in Form eines geeigneten Salzes, hinzugefügt werden /(NH(sub)4)(sub)2, HPO(sub)4, K(sub)2SO(sub)4, KMnO(sub)4, MnSO(sub)4, FeSO(sub)4./The Saccharomyces cerevisiae yeast breeds used for fermentation must be made suitable for the nutrient liquid in question by means of suitable cultures. Waste liquors from pulp production, e.g. beech sulphite waste liquor, wood sugar spices, pre-extracts from the sulphite process or other liquids containing sugar, serve as nutrient liquid. The initial yeast is first carried out in diluted liquid (with beech sulphite waste liquor approx. 1: 6) without any additional vegetable food for a few days and then switched to undiluted liquid with the addition of the usual nutrient salts. This main agglutination then takes place continuously, with the already agglutinated liquid being continuously withdrawn and new unheeded liquid being added. It can be expected that with continuous yeast fermentation without preparation of cultivated yeast in special nutrient solutions, constant concentration and yeast formation is achieved after about 2 weeks, which results in a salable baker's yeast with high driving force. Activators can also be used to transfer the oxygen in the air, which either form in the yeast itself or are added from outside, e.g. in the form of a suitable salt / (NH (sub) 4) (sub) 2, HPO ( sub) 4, K (sub) 2SO (sub) 4, KMnO (sub) 4, MnSO (sub) 4, FeSO (sub) 4. /

Die abgezogene Hefe wird zweckmäßig nach der zweiten Separation mit 0,1-0,05% Melasselösung gewaschen. Von den Saccharomyces-cerevisiae Heferassen (Kulturhefen) können für den vorliegenden Sonderzweck verschiedenartige Stammrassen herangezüchtet werden, welche für Bierhefen oder Brennerei- und Preßhefen bekannt geworden waren.The withdrawn yeast is expediently washed with 0.1-0.05% molasses solution after the second separation. From the Saccharomyces cerevisiae yeast breeds (culture yeasts), different types of stem breeds can be bred for this special purpose, which have become known for brewer's yeasts or distillery and pressed yeasts.

Zu erwähnen sind z.B. Heferasse I, II, XVII, eine von den 4-5 Rassen der Mischrasse M, u.U. auch Monilia Sch.To be mentioned are e.g. yeast breeds I, II, XVII, one of the 4-5 breeds of the mixed breed M, possibly also Monilia Sch.

Chemisch ist der Vorgang der Verhefung von Oligosacchariden wohl so zu erklären, daß gewisse Heferassen bei genügender Sauerstoffzufuhr ein Enzym zur Wirkung kommen lassen, das die Oligosaccharide in verhefbare Monosaccharide aufspaltet.Chemically, the process of fermentation of oligosaccharides can probably be explained in such a way that certain yeast breeds, with sufficient oxygen supply, allow an enzyme to take effect, which splits the oligosaccharides into soluble monosaccharides.

Versetzt man wässrige Vorextrakte nach Klärung, Neutralisation und Zusatz von Nährsalzen mit einer Saccharomyces-cerevisiae Rasse, so stellt man fest, daß der Gehalt der Lösung an reduzierender Substanz zunächst zunimmt, während er normalerweise bei einer Verhefung entsprechend der Abnahme des Zuckergehaltes abnimmt. Dieser zunächst überraschende Befund kann wohl nur dadurch erklärt werden, daß die enzymatische Aufspaltung der Oligosaccharide schneller verläuft als die Verhefung der durch die Spaltung gebildeten Monosaccharide.If you add a Saccharomyces cerevisiae breed to aqueous pre-extracts after clarification, neutralization and the addition of nutrient salts, it is found that the content of the reducing substance in the solution initially increases, while it normally decreases in the case of yeasting according to the decrease in the sugar content. This initially surprising finding can only be explained by the fact that the enzymatic splitting of the oligosaccharides proceeds faster than the fermentation of the monosaccharides formed by the splitting.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die aus den Hefebütten abgezogene Hefeemulsion vor dem Schleudern in eine nur schwach belüftete Vorratsbütte einlaufen zu lassen und dort einige Stunden, vornehmlich 2-8 Stunden, zu belassen. Es genügen für die Zuführung von Luft in den Nachbehandlungsbütten beispielsweise die bekannten perforierten Rohre. Bei dieser verminderten Nachbelüftung ohne Nährsalzzugabe soll sich die Hefe nicht mehr vermehren, sondern nur der überschüssige Stickstoffgehalt etwa um den Betrag an Reserveeiweiß vermindert werden. Gleichzeitig tritt eine Entgasung ein, so daß hierzu besondere Schleudervorrichtungen erspart werden.It has been found to be advantageous to pour the yeast emulsion drawn off from the yeast vats into to allow a poorly ventilated storage vat to run in and to leave it there for a few hours, primarily 2-8 hours. For example, the known perforated tubes are sufficient for the supply of air in the post-treatment vats. With this reduced post-ventilation without the addition of nutrient salt, the yeast should no longer multiply, only the excess nitrogen content should be reduced by approximately the amount of reserve protein. At the same time, degassing occurs, so that special centrifugal devices are saved for this purpose.

Wie Versuche ergaben, kann die Haltbarkeit der Hefe wesentlich erhöht werden. Auf die Triebkraft übt der eine bestimmte Grenze übersteigende Stickstoffgehalt keinen Einfluß mehr aus, sondern nur die Haltbarkeit der Hefe wird durch einen überhöhten Stickstoffgehalt vermindert.As tests have shown, the shelf life of the yeast can be increased significantly. The nitrogen content exceeding a certain limit no longer has any influence on the driving force, only the shelf life of the yeast is reduced by an excessive nitrogen content.

Beispiel:Example:

In einer Versuchs-Gärhütte für 30 Liter Inhalt kommt Buchenholzsulfitablauge zur Verhefung, welche 36 gr RS (reduzierende Zucker) je Liter Ablauge enthält. Die Ablauge wird mit Wasser verdünnt und zwar kommen 57 Liter Wasser auf 3 kg Aussaathefe. Als Aussaathefe dient Hefe der Rasse I. Nach dem Zusatz von Nährsalzen wird der p(sub)H-Wert auf 5,5 eingestellt bei einer Gärtemperatur von 30°C.Beechwood sulphite waste liquor, which contains 36 gr RS (reducing sugar) per liter of waste liquor, is fermented in a test fermentation hut for 30 liters. The waste liquor is diluted with water, namely 57 liters of water for 3 kg of yeast. Yeast of breed I is used as the sowing yeast. After the addition of nutrient salts, the p (sub) H value is adjusted to 5.5 at a fermentation temperature of 30 ° C.

Die Gärbütte ist mit einer Lüftungseinrichtung gemäß den deutschen Patentschriften 744 678 und 759 121 versehen, bei welcher der Luftbedarf ca. 5-10 cbm für 1 kg Hefetrockensubstanz beträgt. Es werden bei dieser Lüftung 30 Liter Ablauge in etwa 90 Liter Ablauge-Emulsion umgewandelt, d.h. in der Emulsion befinden sich 2/3 Luft. In kontinuierlichem Betrieb führt man pro Stunde 12 Liter Buchenholzablauge mit Nährsalzen zu und zieht in der gleichen Zeit ebensoviel Hefeemulsion ab. Diese wird nach der deutschen Patentschrift 752 725 in besonderen Emulsions-Schleudern entlüftet und anschließend in Hefe und Schlempe getrennt, sowie getrocknet. In 12 Liter Hefemilch sind 12.36 = 432 gr RS enthalten und diese ergeben 180 gr Trockenhefe, was pro Stunde einer Ausbeute an Hefetrockensubstanz von 180:432 = 43% entspricht. Der Restzuckergehalt beträgt 10%. Die Triebkraft der verarbeiteten Backhefe ist 35 Minuten nach der Backprobe.The fermentation vat is provided with a ventilation device according to German patents 744 678 and 759 121, in which the air requirement is approx. 5-10 cbm for 1 kg of dry yeast substance. With this ventilation, 30 liters of waste liquor are converted into around 90 liters of waste liquor emulsion, i.e. 2/3 of the air is in the emulsion. In continuous operation, 12 liters of beech wood waste liquor with nutrient salts is added per hour and the same amount of yeast emulsion is drawn off in the same time. According to German patent specification 752 725, this is deaerated in special emulsion centrifuges and then separated into yeast and vinasse and dried. 12 liters of yeast milk contain 12.36 = 432 gr RS and these result in 180 gr dry yeast, which corresponds to a yield of dry yeast matter of 180: 432 = 43% per hour. The residual sugar content is 10%. The driving force of the processed baker's yeast is 35 minutes after the baking test.

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Claims

1.) Process for the fermentation of pentoses, oligosaccharides and other types of sugar that are difficult to ferment, mainly in waste liquors from pulp production, wood sugar seasonings, prehydrolysates, etc., characterized in that Saccharomyces cerivisiae yeast breeds (culture yeasts) are used and after their adaptation to the fermentation liquid and management the first fermentation in dilute solution without additional vegetable food, the actual fermentation takes place in a continuous process with oxygen carriers or air supplies, which allow such a finest distribution that one gets by under 15 m (exp) 3 air per kg of yeast formed.

2.) Method according to claim 1, characterized in that the yeast emulsion withdrawn from the yeast vats is placed in a weakly ventilated storage vat for a few hours, primarily for 2-8 hours, before being spun.