CH154809A - Verfahren zur Herstellung von Gluconsäure durch Vergärung von glucosehaltigen Kohlehydratgemischen. - Google Patents

Description

  Verfahren zur Herstellung von     Gluconsäure        diüeh    Vergärung von     glucosehaltigen          Kohlehydratgemisehen.       Die technische Darstellung von     Glacon-          säure    wurde bisher nur auf rein chemischem  Wege durchgeführt, wobei die notwendige  Verwendung von komplizierten Apparaten  und die Verwendung von     teuren-O$ydations-          mitteln.    die Erzeugung einerseits technisch  komplizierten und anderseits verteuerten.  



  Bekanntlich vermögen Fadenpilze der  Gattungen     Aspergillus,        Citromyces,        Pen-          zillium,        Mucor,    sowie Bakterien aus der  Gruppe des     Bact.        xylinum,    B.     industrium,     B.     oxydans,    B.     gluconicum        etc.        Gluconsäure     aus Glucose zu erzeugen.  



  Es wurden auch schon Versuche ge  macht, mit Hilfe der genannten Pilze     bezw.     Bakterien aus reinen Zuckerlösungen oder       Glucoselösungen        Gluconsäure    herzustellen.  Diese Versuche waren alle Laboratoriums  versuche, da man der Annahme war, dass von  reinen Grundsubstanzen ausgegangen werden  müsse.    Versuche haben ergeben, dass nicht reine  Glucose zur     Herstellung    von     Gluconsäure     verwendet zu werden braucht, sondern dass  man von Glucose enthaltenden Kohle  hydratgemischen,     wie@Rübenschnitzeln,    Me  lasse,     Rohzuckersäften        etc.    ausgehen kann.

    Als besonders geeignet erwiesen sich aus  Stärke oder stärkehaltigen Materialien, wie  allen Getreidesorten, aber auch Rosskasta  nien, Lupinen     etc.,    hergestellte Gemische,  da sie hohe Ausbeuten an     Gluconsäure    er  geben. Stärke oder stärkehaltige Rohstoffe  können zum Beispiel durch     Hydrolysieren     mittelst Säuren in     glucosehaltige    Kohlen  hydratgemische übergeführt werden.  



  Bei dem bisherigen Gärungsverfahren  wurde ferner die auf der Oberfläche sieh bil  dende Pilzdecke nicht berührt, da die all  gemeine Ansicht bestand, dass bei einem Zer  reissen der Pilzdecke die biochemische Tätig  keit des Pilzes gestört werde.      Versuche haben jedoch gezeigt, dass bei  vorsichtigem Aufheben der Pilzdecke die  Tätigkeit des Pilzes nicht nur nicht gehin  dert wird, sondern infolge der möglichen  Entgasung des Gäransatzes dessen Lebens  dauer noch verlängert wird.

   Das Verfahren  gemäss der Erfindung zur Herstellung von       Gluconsäure    durch Vergärung von     glucose-          haltigen        Kohlehydratgemischen        mittelst        oxy-          dativer        Gluconsäure    bildender Gärungs  erreger ist dadurch gekennzeichnet, dass die  auf dem Gäransatz sich bildende Decke der       oxydativen    Gärungserreger von Zeit zu Zeit  abgehoben wird, um ein     Entweichen    der sich  bildenden Kohlensäure zu ermöglichen. Bei  der Ausführung des Verfahrens können die  Pilzdecken durch Vorrichtungen vorsichtig  aufgehoben werden.

   Hierbei kann durch       Umrühren    am Boden liegendes oder gerade  zugesetztes     Calciumkarbonat    mit der gebil  deten     Glueonsäure    zur Reaktion gebracht  werden. Dem dabei entstehenden Kohlen  dioxyd ist so Gelegenheit zum Entweichen  geboten. Auf diese Weise gelingt es,. auch  eine in relativ hoher Schicht befindliche  Maische in kurzer Zeit in     Gluconsäure    zu  verwandeln.

   Geht man hierbei von einem  künstlichen Substrat aus, so ist der Zusatz  von Nährsalzen erforderlich, wobei neben  der üblichen Anwendung von     Kaliumphos-          phat    und     Magnesiumsulfat    insbesondere die  Art der Stickstoffquelle von Einfluss auf die  Entwicklung eines gut     Gluconsäure    bilden  den     Pilzmycels    ist. Am besten bewähren sich  dabei     Ammonsulfat    oder     Aminosäuren    oder       peptonhaltige        Substanzen,    doch können auch  alle sonstigen     ungiftigen,    stickstoffhaltigen  Substanzen Verwendung finden.

   Nach Be  endigung des Prozesses kann die Flüssigkeit  abgezogen und nach Zusatz einer neuen  Maische der Prozess wiederholt werden, wo  bei weitere reichliche Mengen von     Glucon-          säure    entstehen. Zur Ermöglichung des leich  teren     Abhebens    kann zum Beispiel die Decke  durch einen Rost, ein Sieb usw. gestützt  werden, oder es kann die Decke auf diesen  etwas unterhalb der Oberfläche der     Gär-          flüssigkeit    angebrachten Hilfsmitteln zur    Entwicklung gebracht werden. Das Abheben  der Decke allein oder mit Stützkonstruktion  kann von Hand oder durch mechanische  Zeitantriebe erfolgen.

   Es kann auch die Ein  richtung zum Heben der Gärdecken mit einer  Einrichtung zum Rühren der Flüssigkeit       zweckmässigerweise    verbunden werden.  



  Bei Anwendung von Pilzen für die     Glu-          consäureherstellung    ist zunächst die Aus  wahl eines geeigneten Pilzstammes erforder  lich. Diese erfolgt zweckmässig in systema  tisch durchgeführten Kleinversuchen durch  Vergleich des     Gluconsäurebildungsvermögens     der verschiedenen Pilzstämme. Die Durch  führung der     Gluconsäureherstellung    im  technischen Betrieb geschieht zum Beispiel  in der Weise, dass zunächst durch Dampf  oder direktes Erhitzen sterilisierte Flüssig  keit nach ihrer Abkühlung mit Sporen des  geeigneten Pilzstammes stark     angeimpft     wird, so dass die ganze Oberfläche mit Sporen  besät ist.

   Die     Gluconsäurebildung    kann nun  entweder durch die an der Flüssigkeitsober  fläche zur Entwicklung gelangende Pilz  decke erfolgen oder durch ein     Mycel,    das  im Innern der Flüssigkeit zur Entwicklung  gelangt ist, indem man,     wie    bei andern       mycologischen    Prozessen, die ganze Flüssig  keit durch Rühren oder     Luftdurchleiten    in  Bewegung hält. Nachdem das     Pilzmyeel    ge  nügend stark gewachsen ist, wird zweck  mässigerweise     Calciumkarbonat,    sowie noch  weitere Maische     etc.    entweder auf einmal  oder in einigen Anteilen zugesetzt.  



  Mit dieser Flüssigkeit kann ein für die       Gluconsäurebildung    selbst unschädlicher  Giftstoff zugesetzt werden, der Infektionen  durch fremde Organismen verhindert, da,  wie die Erfahrung lehrt, insbesondere     Butter-          säurebakterien    den Prozess der     Gluconsäure-          bildung    fast völlig hemmen können, da die  Pilze gegenüber der Buttersäure sehr emp  findlich sind.

   Als derartige Giftstoffe kom  men in Betracht zum Beispiel organische  Quecksilberverbindungen, wie zum Beispiel  Samenbeizmittel,     Chlorphenolquecksilber    oder       Cy        anmerkurikresolnatrium,    aber auch anor-           ganische    Verbindungen, wie     Sublimat,     Silbernitrat     etc.,    wobei jeweils die geeignete  Konzentration zu ermitteln ist. Dieser Zu  satz von Giftstoffen ist besonders deshalb  von Wichtigkeit, weil der Prozess in an  nähernd neutraler Lösung am besten vor sich  geht und daher des Selbstschutzes der eigenen  Säuerung entbehrt.

   Der Zusatz von     Calcium-          karbonat    ist deshalb zweckmässig, weil sonst  die     Gluconsäurebildung    vielfach entweder  zum Stillstand kommt oder dieselbe in Zi  tronensäure oder     Oxalsäure    übergeführt  wird. Bei bestimmten Pilzstämmen, ins  besondere solchen, die schlechte Zitronen  säurebildner sind, kann auch in Abwesenheit  von     Neutralisationsmitteln    gearbeitet wer  den, doch ist dann die Ausbeute an     Glucon-          säure    in der Regel geringer.

   Als     Neutrali-          sationsmittel    sind ausser     Calciumkarbonat     auch     Bariumkarbonat,        Magnesiumkarbonat,     Natriumkarbonat     etc.    geeignet, ausserdem  können auch stärker alkalische Stoffe, wie       Calciumoxyd,        Bariumbydroxyd        etc.,    verwen  det werden, wenn für allmählichen Zusatz  Sorge getragen wird.

   Der Zusatz der wei  teren Zuckerlösung     bezw.    Maische ist des  halb zweckmässig, weil dadurch die Konzen  tration der noch vorhandenen Stickstoff  salze verringert wird und anderseits das       Pilzmycel    imstande ist, grössere Mengen von       glucosehaltigem    Material in     Gluconsäure     überzuführen. Der     Gluconsäurebildungspra-          zess    selbst geht bekanntlich in Gegenwart von  möglichst wenig Stickstoff am besten vor  sich, und .der erwähnte Zusatz ermöglicht es,  diese Bedingungen zu erzeugen.  



  Die günstigste Temperatur für die Arbeit  der Pilze ist 30-35  . Der Prozess ist unter  Einrechnung der Wachstumsperiode des     Pilz-          mycels    in der Regel in     4-5    Tagen beendigt,  ohne Einrechnung derselben in 2-3 Tagen.  Die Ausbeute, beispielsweise über das     Cal-          ciumgluconat    bestimmt, berechnet auf wirk  lich vorhanden gewesene Glucose, ist bei Ver  wendung eines geeigneten Pilzstammes fast  quantitativ.  



  Wenn man die Erzeugung der     Glucon-          säure    mit Hilfe von Bakterien aus den oben    genannten Gruppen durchführen will, so ar  beitet man zweckmässig im Prinzip analog.  Als Nährboden verwendet man am besten  Hefeextrakte     etc.,    die in bekannter Weise  hergestellt werden. Ein Zusatz von     Neutrali-          satonsmitteln    ist nicht unbedingt erforder  lich,     kann    jedoch vielfach von Vorteil sein.  Als Mittel zur Verhinderung von Infektionen  durch fremde Organismen verwendet man  zweckmässig Zusätze von niedern Fettsäuren.

    wie zum Beispiel Ameisensäure, Essigsäure,       Propionsäure,    oder Buttersäure, wobei die je  weils geeignetste Konzentration zu ermitteln  ist. Der Prozess geht am besten bei 25-28  vor sich. Er währt meist etwa 1-2 Wochen.  



  Die     Abscheidung    der     Gluconsäure    erfolgt  am besten in Form eines Salzes, zum Bei  spiel des     Calciumgluconates.    Man verdampft  zum Beispiel die     calciumgluconathaltige     Flüssigkeit im Vakuum bis zur geeigneten  Konzentration. Die entleerte Masse erstarrt  zu einem Kristallbrei, aus dem durch Ab  schleudern oder Abpressen .das     Calcium-          gluconat    gewonnen werden kann.

   Nach dem       Umkristallisieren    aus heissem Wasser, unter  eventueller Anwendung eines     Entfärbungs-          mittels,    erhält man reines Produkt, aus dem  vorteilhaft jede Spur von Giftstoff aus  gewaschen wird und aus dem man in be  kannter Weise die freie     Gluconsäure    oder  deren     Lakton    herstellen kann.  



       Ausführungsbeispiele   <I>des</I>     Teerfahrens          gemäss   <I>der</I>     Erfindung:     I.  6 kg gelber Rohzucker werden in 40 Liter  Wasser gelöst und mit den erforderlichen  Nährsalzen (80     gr        (NH4)S04,    40     gr        KH,P04     und 20     gr        MgS04)    versetzt, durch Erhitzen  sterilisiert und eingefüllt. Nach dem Ab  kühlen wird mit einer Pilzkultur von     Asper-          gillus        niger    ;geimpft.

   Nach     etwa        zweitägiger          Entwicklung    bei etwa 35   werden weitere  6 kg Rohzucker in etwa 15 %     iger    Lösung zu  gesetzt und etwa 1,2 kg     CaCO3    (Schlämm  kreide) eingeführt.

   Von nun an ist die Pilz  decke mit Hilfe einer geeigneten, im     Gär-          gefäss    befindlichen Vorrichtung, wie eines      Rostes oder Netzes mindestens zweimal in  24 Stunden -aufzuheben und das     CaC03    auf  zurühren     bezw.    gegebenenfalls weitere Men  gen desselben zuzusetzen, wobei die sich     ent-          wiekeln.de    und für die Fortführung der Gä  rung schädliche Kohlensäure entweichen  kann. -Der gleiche Zusatz wie zuvor wurde  noch zweimal zugegeben, bis insgesamt 24 kg  Rohzucker mit gleicher Decke verarbeitet  sind, was insgesamt 12 Tage dauert.

   Die  Ausbeute an reinem     Ca-Gluconat    beträgt  12 kg und entspricht daher, bezogen auf die       vorhanden    gewesene     Glucosemenge,    etwa  80 % d.     Th.    Das     Glucanat    ist praktisch frei  von Zitronensäure und     Oxalsäure.     



       II.     10 kg Stärke werden mittelst     H2S04    ver  zuckert, nach dem Neutralisieren mit     BaCO.,     und Entfernen des     Ba-Sulfates    wird die  Maische, die 13     %    Glucose enthält, mit Nähr  stoffen (1 Liter Leimabsud mit 15     gr    Stick  stoff;

   40     gr        KH2P04,    20     gr        MgS04)    versetzt,  durch Erhitzen sterilisiert, in flache Schalen  gefüllt, abgekühlt und mit einer Kultur von       Penicillium        beimpft.    Nach     2-3tägiger    Pilz  entwicklung bei etwa 30   wird eine weitere       22aischenmenge    aus 10 kg Stärke mit 15 bis  20 %     Glucosegehalt    und 0,1     gr    Quecksilber  chlorid zugesetzt.

   Nach dem Einrühren einer  ausreichenden Menge     Bariumkarbonat    wird  der Gäransatz bei der gleichen Temperatur  belassen, wobei innerhalb 24 Stunden 2 bis 3  Mal die Pilzdecke aufzuheben und das     BaCOn     aufzurühren ist. In gleicher Weise werden  nochmals zwei Portionen Maische aus je  10 kg Stärke mit 15 bis 20%     Glucosegehalt     und 0,1     gr    Quecksilberchlorid zugesetzt, aus  reichende     Mengen        Bariumkarbonat    eingerührt  und auch im übrigen wie zuvor verfahren.  Die Ausbeute an reinem     Ba-Gluconat    beträgt  32 kg bei Verarbeitung von insgesamt 40 kg  Stärke.  



       III.     Es wird ein Gäransatz     wie    in Beispiel     II     gemacht und die Pilzdecke ebenfalls ab  gehoben, jedoch mit dem Unterschiede, dass    den     Maischen    kein Quecksilberchlorid zu  gesetzt wird. Es werden aus insgesamt 40 kg  Stärke nur 18 kg     Ca-Gluconat    neben 2 kg       C        a-Citrat    gewonnen.  



  IV.  Es werden Kartoffeln in üblicher Weise  aufgeschlossen und durch Malz verzuckert.  Die aus 100 kg Kartoffeln und 4 kg Malz  erhaltene Maische (entsprechend 19,2 kg Glu  cose) wird zum Kochen erhitzt, wodurch sie  an     Extraktivstoffen    aus den     Trebern    reicher  wird. Sodann wird sie filtriert und zwecks  Sterilisation nochmals zum Kochen erhitzt  und in flache Schalen eingefüllt. Nach dem  Abkühlen auf zirka 28   wird 50     gr    Butter  säure zugesetzt und     mit    einer Kultur von  Bakterium     Xylinum    geimpft. Man legt auf  die Flüssigkeit ein Netz aus Glaswolle, auf  dem sich die gallertige Bakteriendecke fängt.

    Man hebt mit geeigneter Vorrichtung diese  eingewachsene Decke etwa zweimal in -24  Stunden zur Entfernung der Kohlensäure ab.  Die Temperatur von 28   C wird weiterhin  eingehalten und beim Abheben der Decke von  Zeit zu Zeit     CaC0zugesetzt.    Falls bei die  ser Manipulation die gebildete Bakterienhaut  untersinkt, so entwickelt sich alsbald eine  neue. Nach etwa 14tägiger Gärdauer ist der  Prozess beendet, und das     Ca-Gluconät    kann in  üblicher Weise gewonnen werden. Man er  hält 18 kg     Ca-Gluconat    von weitgehendster  Reinheit.  



  V.  Es wurden drei Gäransätze mit einer     Gär-          rnaische,    die nach Beispiel     II    angesetzt wur  den, durchgeführt, und zwar bei verschie  denen Temperaturen. Der eine Versuch lief  bei 35  , zwei Versuche bei 20   C. Die Nähr  salzmenge und die Versuchsbedingungen  waren im übrigen die gleichen wie bei Bei  spiel     II.    Bei dem Versuch bei 35          (Ver  such A) und bei einem Versuch bei 20    (Versuch B) wurde am     3.,    7. und 11. Tage  neue     Gärmaische    aus 10' kg Stärke zu  gesetzt, bei dem dritten Versuch bei 20   C  (Versuch C) erfolgte dieser Zusatz am     3.,    10.      und<B>17.</B> Tage.

   Schon die fortlaufende Kon  trolle des     Säuerungsprozesses    ergab, dass die  Säuerung bei 20   C viel langsamer vor sich    ging, als die Säuerung bei 35<B>'C.</B> Die Aus  beuten nach der Abstellung der Versuche  waren die nachstehenden:  
EMI0005.0002     
  
    A <SEP> im <SEP> Versuch <SEP> bei <SEP> 35 <SEP>   <SEP> C <SEP> nach <SEP> 14 <SEP> Tagen <SEP> 30 <SEP> kg <SEP> Ca-Glu.conat
<tb>  B <SEP> " <SEP> " <SEP> 20 C <SEP> " <SEP> 14 <SEP> 13 <SEP> " <SEP> "
<tb>  C <SEP> <B>39 <SEP> 31</B> <SEP> " <SEP> 20 C <SEP> " <SEP> 25 <SEP> 19 <SEP> " <SEP> "       Arbeitsweisen, bei denen die Pilzdecke  nicht wie nach dem Verfahren gemäss der  Erfindung abgehoben wurde.  



       a)    Im gleichen Gärgefäss wie im Bei  spiel I wird in analoger Weise eine Pilz  dicke zur Entwicklung gebracht und nach  etwa 2, 6 und 9 Tagen je weitere 6 kg Roh  zucker in     15%iger    Lösung und etwa 4 kg       CaC03    zugesetzt. Nach insgesamt 12tägiger  Gärzeit in Ruhe wurden aus 24 kg Roh  zucker nur etwa 5 kg     Ca-Gluconat    und 4 kg       Ca-Citrat    gewonnen. Dabei sind noch grosse  Mengen an Zucker unverbraucht.  



  b) Es wird ein Gäransatz mit gleicher  Gärmaische wie bei Beispiel V angestellt,  mit dem Unterschiede, dass keine Buttersäure  zugesetzt wird und die Decke nicht ab  gehoben wird. Die Ausbeute betrug 10 kg       Ca-Gluconat.     



  Das Ausführungsbeispiel I zeigt gegen  über der Arbeitsweise     a,    bei welch letzterer  die Decke nicht abgehoben wurde, die Aus  beutesteigerung an     Calciumgluconat,    die in  folge     Abhebens    der Decke und des dadurch  ermöglichten     Entweichens    der Kohlensäure  eintritt.

   Das Beispiel     II    zeigt gegenüber  dem Beispiel     III    die günstige Auswirkung  des Zusatzes von Giftstoffen auf die Aus  beute und die Reinheit des     Caleiumgluco-          nates    bei .der Durchführung der     Gluconsäure-          gärung    unter Benutzung des     Abhebens    von  Decken. Während die Beispiele I bis     III,     sowie die Arbeitsweise a unter Benutzung  von Schimmelpilzen durchgeführt wurden,  werden in dem Beispiele IV und der Arbeits-    weise b Bakterien verwendet. Das Beispiel V  zeigt die Auswirkung der günstigen Gär  temperatur.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Herstellung von Glucon- säure durch Vergärung von glucosehaltigen Kohlehydratgemischen mittelst oxydativer Gluconsäure bildender Gärungserreger, da durch gekennzeichnet, dass die auf dem Gär ansatz sich bildende Decke der oxydativen Gärungserreger von Zeit zu Zeit abgehoben wird, um ein Entweichen der sich bildenden Kohlensäure zu ermöglichen. UNTERANSPRÜCHE: 1.

   Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der geimpfte Gär- ansatz auf einer Temperatur von 25 bis 35 erhalten wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch und Un teranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gäransatze Giftstoffe für anders artige Gärungserreger zugesetzt werden, welche die encymatische Tätigkeit der Gluconsäure bildenden, oxydativen Gä rungserreger nicht hindern. 3.

   Verfahren nach Patentanspruch und Un teransprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, dass dem Gäransatze nach Ent wicklung des Pilzmycels in Intervallen neue, zu verarbeitende Maische zugesetzt wird.