DD201147B1 - Verfahren zur gewinnung von eiweissreichen nukleinsaeurearmen biomassen - Google Patents

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Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von eiweißreichen nukleinsäurearmen Biomassen, die durch eine mikrobielle Konvertierung von Kohlenwasserstoffgemischen, insbesondere Erdöldestillaten bzw. -raffinaten mit einem n-Kohlenstoffkettenlängenbereich von C9 bis C30 mit Hefen gewonnen werden. Sie kann in der mikrobiologischen Industrie angewendet werden und ist in die IPK C12 N einzuordnen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Mikrobielle Biomassen, die durch Kultivierung von Mikroorganismen, z. B. auf der Basis von Kohlenwasserstoffgemischen, insbesondere n-alkanhaltigen Erdöldestillaten bzw. -raffinaten des Kohlenstoffkettenlängenbereiches C9 bis C30 gewonnen werden, werden bekanntlich im Fermentationsprozeß erzeugt. Entsprechende Verfahren sind in DE-OS 1417560, DE-OS 1470484, DE-OS 1470490, DE-OS 1470517 und DD-WP 105825 beschrieben.
In den genannten Verfahren wird die Raum-Zeit-Ausbeute des Fermentationsprozesses von der Wachstumsgeschwindigkeit der eingesetzten Mikroorganismen als Produktionsstämme, dem angewendeten Fermentortyp und den angewendeten Fermentationsbedingungen bestimmt.
Die Qualität der gewonnenen Biomassen wird durch die spezifischen Eigenschaften des Produktionsstammes, sowie durch die Fermentations- und Aufarbeitungsbedingungen zur Gewinnung von Biomassen beeinflußt. Die wesentlichen Qualitätskennziffern mikrobieller Biomasse, der Rohprotein- und Nukleinsäuregehalt, werden durch das Regime des angewendeten Fermentationsprozesses bestimmt. Es ist gleichzeitig bekannt, daß Fermentationen mit Hefen oder Bakterien zu Biomassen führen, die sich signifikant im Rohprotein- und Nukleinsäuregehalt unterscheiden. So ist der Rohproteingehalt bei Bakterien meist größer als bei Hefen, aber zugleich ist der Nukleinsäuregehalt der gewonnenen Biomasse ebenfalls höher.
Erhöhte Nukleinsäuregehalte in mikrobiellen Biomassen sind aus ernährungsphysiologischen Gründen unerwünscht. Deshalb sind aus der Literatur zur Gewinnung von mikrobiellen Biomassen und Eiweißkonzentraten eine große Zahl von Verfahren bekannt, die die Entfernung der Nukleinsäuren zum Ziele haben.
Diese Verfahren zur Entfernung bzw. Erniedrigung des Nukleinsäuregehaltes aus Biomassen bedeuten einen zusätzlichen technisch-ökonomischen Aufwand für das Biomassegewinnungsverfahren. (Lovland, J., Horper, J. M. und Frey, A. L. Lebensm.-Wiss. u.-Technologie 9,131-142 [1976]).
Außer den Verfahren, die einen zusätzlichen technologischen und damit ökonomischen Aufwand zur Entfernung bzw. Erniedrigung des Nukleinsäuregehaltes in Biomassen notwendig machen, gibt es auch ein Verfahren zur Reduzierung des Nukleinsäuregehaltes von Mikroorganismen, nach dem in der Wachstumsphase befindliche Mikroorganismen mit Sauerstoff und einem wäßrigen Nährmedium in Berührung gebracht werden, wobei in letzteren ein Inhibitor enthalten ist. Solche Inhibitoren stellen Antibiotika, Analoge von Aminosäuren, Analoge von Purin- oder Pyrimidinbasen oder Kohlendioxid dar. Eine Senkung der Nukleinsäurekonzentration um maximal 60% des Ausgangswertes ist möglich.
Bei diesem Verfahren resultiert aus der Zugabe eines Hilfsstoffes in den Fermentationsprozeß ein erhöhter technologischer und ökonomischer Aufwand, wobei diese Zugabe auch zu anderen Beeinträchtigungen des Prozeßablaufes führen kann.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, das die kostensparende und ohne erhöhten technologischen Aufwand durchzuführende Herstellung einer als Futtermittel geeigneten Biomasse erlaubt.
-2- 201 Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das die Produktion einer Biomasse mit hohem Rohprotein- und geringem Nukleinsäuregehalt ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Fermentationsprozeß eine günstige Verweilzeit des Kulturmediums im Fermentor bei einer gleichsfalls günstigen Fermentationstemperatur und einem bestimmten Phosphat-Gehalt im Nährmedium angewendet wird.
Auf der Grundlage der Tatsache, daß dieWachstumsrate bzw. Verweilzeit von Mikroorganismen im Fermentationsprozeß einen entscheidenden Einfluß auf die Höhe des Rohprotein- und Nukleinsäuregehaltes ausübt, wurde bei Hefen und Kohlenwasserstoffgemischen, insbesondere Erdöldestillaten bzw. Raffinaten als Substrat, gefunden, daß für den Erhalt einer hohen Produktivität sowie eines hohen Rohproteingehaltes in der Futterhefe bei gleichzeitig niedrigem Nukleinsäuregehalt in der Größenordnung von 4,0 bis 8,0% Verweilzeiten von 3,5 bis 5 Stunden, vorzugsweise 4 Stunden, bei einer Fermentationstemperatur von 31 °C bis 340C, vorzugsweise 33°C, angewendet werden müssen.
Gleichzeitig wurde festgestellt, daß der Nukleinsäuregehalt von Hefen durch den angebotenen Phosphor im Nährmedium beeinflußt werden kann. So hat sich für den Erhalt niedriger Nukleinsäurewerte in Kombination mit den vorher genannten Maßnahmen ergeben, daß ein Phosphorgehalt in der Futterhefe von 1,1 bis 1,7%, vorzugsweise 1,3 günstig ist. Das entspricht einem spezifischen Verbrauchswert in der Fermentation von 12 bis 18g/kg Hefetrockensubstanz, wobei in wäßrigem Kulturmedium eine Phosphatkonzentration von <20mg P/l angestrebt werden sollte. Durch die Kombination vorstehend genannter Prozeßbedingungen in der Fermentation wird eine Biomasse erhalten, die einen hohen Proteinwert von > 60% und einen verminderten Nukleinsäurewert von <8% aufweist und als Futtermittelkomponente geeignet ist.
Ausführungsbeispiel
Am nachstehenden Beispiel ist die Erfindung näher erläutert.
Beispiel 1
In einem Rührfermentor mit einem Gesamtvolumen von 250m3 und einem Arbeitsvolumen von 90t werden in einem kontinuierlichen Verfahren Hefen des Stammes Lodderomyces elongisporus auf einer Erdöldestillatfraktion vom Siedebereich 240 bis 3600C gezüchtet. Der n-Alkangehalt im eingesetzten Erdöldestillat beträgt 16,3%. Die Fermentationstemperatur ist 33°C, der pH-Wert 4,2. Die spezifische Begasungsintensität beträgt 6400 m3/h, die Energieaufnahme 260 kW. Die Verweilzeit beträgt 4,5 Stunden. Die Nähr- und Spurensalze werden in Form von zwei Nährsalzlösungen in den Fermentationsprozeß eingeführt, eine 15%ige wäßrige Kaliumchloridlösung und eine säure Salzlösung, bestehend aus Magnesiumsulfat, Kupfersulfat, Zinksulfat, Mangansulfat, Eisen-Ill-Chlorid, Phosphorsäure und Wasser.
Die spezifischen Verbrauchskennziffern lauten:
ledarf eingesetzter Rohstoff
Phosphorsäure, 74,5%ig Kaliumchlorid Magnesiumsulfat Eisen-lll-chlorid Kupfersulfat Mangansulfat Zinksulfat
In das wäßrige Kulturmedium wird zur Intensivierung des Fermentationsprozesses eine Hilfskombination von der Struktur Propylenoxid-ethylenoxidaddukt-ZPolyethyleriglykol in einer Konzentration von 600 mg/l wäßriges Kulturmedium zugegeben.
Die Produktivität des Fermentationsprozesses beträgt 3,6kg/HTS/t · h.
Durch Aufrahmung erfolgt aus dem Vierphasengemisch Erdöldestillat/Biomasse/Prozeßwasser/Luft eine Abscheidung von 60% des Prozeßwassers. Zur Erdöldestillat/Biomasse/Prozeßwasser-Suspension gibt man ca. 0,8g der genannten Hilfsstoffkombination zu und erhitzt die Suspension auf 80 bis 85°C. Mittels zweier Industrie-Separatoren wird das entparaffinierte Erdöldestillat weitgehendst und weiteres Prozeßwasser abgetrennt.
Die aufkonzentrierte, Biomasse wird durch Vakuumeindampfung weiter angereichert und anschließend in einem Sprühtrocknungsprozeß getrocknet. Die Prozeßwässer aus der Aufrahmung und ca. 40% der in der Separation abgetrennten wäßrigen Phase werden in den Fermentationsprozeß zurückgeführt.
Durch eine extraktive Reinigung der Trockenbiomasse in einer kontinuierlichen Drehscheibenextraktionsanlage bei 400C mit einem Extraktionsmittelgemisch Benzin-Äthanol-Wasser (80-19·-1 Vol.-%) werden die restlichen Kohlenwasserstoffe und der Hauptteil der Lipide aus der Biomasse entfernt. Das Extraktionsmittel wird anschließend aus der extrahierten Biomasse durch eine zweistufige thermische Trocknung entfernt. Das erhaltene Endprodukt zeichnet sich durch einen hohen Rohproteingehalt, einen verminderten Nukleinsäuregehalt und eine hohe Rohproteinverdaulichkeit aus.
Element Spez. Eiern
g E/kg HTS
P 17,5-18
K 20
Mg 0,94
Fe 0,02
Cu 0,02-0,03
Mn 0,16
Zn 0,22
Kennwerte der Biomasse, bezogen aus Trockenprodukt: Aussehen: beige bis hellbraun
Besatz: ohne
Gefüge nicht klumpig
Geruch: arteigen
Rohproteingehalt: 62,3%
Lysingehalt: 7,6%
Methioningehalt: 1,4%
Nukleinsäuregehalt: 7,1 %
Phosphorgehalt: 1,2%
Beispiel 2
Im Vergleich zu Beispiel 1 wird ein weiterer Versuch unter den geschilderten Arbeitsbedingungen durchgeführt. Zum Unterschied beträgt die Verweilzeit des Kulturmediums im Fermentor3,3h, die Fermentationstemperatur 28°C und der spezifische Phosphorverbrauchswert 21,Og/kg Hefetrockensubstanz.
Die Produktivität des Fermentationsprozesses beträgt 2,9kg HTS/t h.
Die unter den genannten Prozeßbedingungen erhaltene extrahierte Biomasse weist folgende Kennwerte auf:
Kennwerte der Biomasse, bezogen auf Trockenprodukt: Aussehen: beige bis hellbraun
Besatz: ohne
Gefüge nicht klumpig
Geruch: arteigen
Rohproteingehalt: 60,8%
Lysingehalt: 6,5%
Methioningehalt: 1,3%
Nukleinsäuregehalt: 8,4%
Phosphorgehalt: 1,8%
Beispiel 3
In einem Rührfermentorvon 3Ol wird der Hefestamm Yarrowia lipolytica bei einem pH-Wert von 4,1 und bei einer Temperatur von 33CC gezüchtet. Als Substrat dient ein Erdöldestillat im Siedebereich 240-3600C mit einem n-Alkanspektrum zwischen C9 bis
Der Versuch wird mit einer Verweilzeit von 4,3 h durchgeführt. Die Erdöldestillatmenge beträgt 16% mit einem n-Alkangehalt von 15,1%. Das wäßrige anorganische Nährmedium enthält Ammoniak und in Form von Phosphaten, Chloriden und Sulfaten Nährund Spurensalze. Die spezifischen Verbrauchskennziffern lauten:
Element
spez. Elementbedarf g/kg HTS
Mg
Fe
Cu
Mn
Zn
16,8 21,0 1,1 0,03 0,02 0,18 0,25
Der Prozeß wird zur Intensivierung des Stoffüberganges bei Anwesenheit eines Hilfsstoffes von der Struktur eines Propylenoxid-Ethylenoxidadduktes in einer Konzentration von 250 mg/l wäßrigen Kulturmediums durchgeführt.
Der Prozeß verlief in stationären Zustand bei einer Produktivität von 3,2 kg HTS/t · h und einer Ausnutzung der im Erdöldestillat vorhandenen n-Alkane von 55%. Die erhaltene Biomassesuspension wurde durch einen Aufrahmungs- und anschließenden Separationsprozeß aufbereitet und durch einen Sprühtrocknungsprozeß getrocknet. Durch eine extraktive Reinigung der Trockenbiomasse im Laboratorium bei 40°C mit einem Extraktionsmittelgemisch Benzin-Methanol-Wasser (80-19-1 Vol.-%) wurden die restlichen Kohlenwasserstoffe und der Hauptteil der Lipide aus der Biomasse entfernt. Die erhaltene extrahierte Biomase ist durch folgende Kennwerte charakterisiert (Angaben, bezogen auf Trockenprodukt).
Aussehen: bräunlich
Gefüge pulvrig
Geruch: arteigen
Rohproteingehalt: 63,1 %
Lysingehalt: 6,9%
Methioningehalt: 1,5%
Nukleinsäuregehalt 7,4%
Phosphorgehalt: 1,4%
Beispiel 4
Im Vergleich zu Beispiel 3 wird ein weiterer Versuch unter den angegebenen Arbeitsbedingungen bei Einsatz des Hefestammes Pichia quilliermondii durchgeführt. Zum Unterschied beträgt die Verweilzeit des Kulturmediums im Fermentor4,6h, die Fermentationstemperatur33,3°C und der spezifische Phosphorverbrauchswert 17,5g/kg Hefetrockensubstanz. Die Produktivität des Fermentationsprozesses beträgt 3,0 kg HTS/t · h.
Die Kennwerte der erhaltenen Biomasse, bezogen auf Trockenprodukt, lauten:
Aussehen: bräunlich Rohproteingehalt: 63,7%
Gefüge pulvrig Lysingehalt: 7,1 %
Geruch: arteigen Methioningehalt: 1,3%
Nukleinsäuregehalt 7,1 %
Phosphorgehalt: 1,2%

Claims (4)

1. Verfahren zur Gewinnung von eiweißreichen nukleinsäurearmen Biomassen, die durch Züchtung von Hefen auf Kohlenwasserstoffgemischen, insbesondere Erdöldestillaten bzw. -raffinaten mit einem Kohlenwasserstoffkettenlängenbereich C9 bis C30 erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeiten des Kulturmediums im Fermentationsprozeß 3,5 bis 5,0 Stunden, bei einer Fermentationstemperatur von 31 bis 340C betragen und daß der spezifische Verbrauchswert für Phosphor im Fermentationsprozeß 12 bis 18g P/kg Hefetrockensubstanz beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des Kulturmediums im Fermentationsprozeß 4 Stunden beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fermentationstemperatur 33°C beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Verbrauchswert für Phosphor im Fermentationsprozeß 15 bis 17g P/kg Hefetrockensubstanz beträgt,
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