DD278599A1 - Verfahren zur gewinnung eiweissreicher, lipidarmer hefebiomasse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Hefebiomasse hoher Qualitaet zu Futterzwecken. Sie gehoert in das Gebiet der technischen Mikrobiologie und kann in Anlagen zur Erzeugung von Einzellerprotein angewendet werden. Eiweissreiche und lipidarme Hefebiomasse wird durch kontinuierliche Kultivierung des Hefestammes Candida maltosa bei einem molaren Kohlenstoff: Stickstoff-Verhaeltnis von 7-11:1 im Naehrstoffangebot und einer N-Konzentration von 200-1 200 mg/kg im Fermentorablauf erzeugt.

Description

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind verschiedene Verfahren zur Züchtung von Hefen zur Gewinnung von Biomasse zu Futterzwecken bekannt.

Ziel dieser Verfahren ist es, eine Futti ι in hoher Qualität zu erzeugen. Besonders hoch sind die Qualitätsanforderungen dann, wenn als Kohlenstoffquelle zur Kultivierung der Hefen n-alkanhaltige Erdöldestillate eingesetzt werden. Neben dem Erreichen des erforderlichen Rohproteingehaltes in derTrockenmasse ist in einem nachfolgenden Schritt die Entfernung der in den Zellen verbliebenen, nicht utilisierten Kohlenwasserstoffe erforderlich.

Diese Extraktion kann sehr aufwendig sein und ein Verfahren ökonomisch außerordentlich belasten.

Hinzu kommt, daß durch schwer extrahierhare Produkte die Kontinuität des gesamten Produktionsprozesses erheblich beeinträchtigt werden kann.

Alle bekannten Verfahren beschäftigen sich vorzugsweise mit der Erzeugung einer hohen Produktmenge oder mit spezifischen Aspekten der Kultivierung wie beispielsweise der Unterdrückung einer unerwünschten bakteriellen Begleitflora bzw. der Beseitigung oder Verhinderung spezieller bakterieller Stoffwechselreaktionen, die den Kultivierungsablauf ungünstig beeinflussen können. Gemäß DD WP 105825 wird die Hefe Candida maltosa EH-15 (spätere Untersuchungen zeigten, daß es sich bei dieser Hefe nicht, wie in der Patentschrift genannt, um Lodderamyces elongisporus, sondern um einen Stamm von Candida maltosa handelt) mit einem n-alkanhaltigen Erdöldestillat als Kohlenstoff- und Energiequelle kultiviert. Die Patentschrift gibt keine Hinweise darauf, wie die erforderliche Produktqualität erreicht werden kann.

In der Praxis wird die Entfernung der nichtutilisierten Kohlenwasserstoffe durch eine Lösungsmittelextraktion vorgenommen, die stufenweise so lange erfolgt, bis die geforderte Qualität bzw. Reinheit des Produktes erreicht wird. Dadurch wird die Extraktion zur limitierenden Prozeßstufe im Verfahren zur Erzeugung von futterhefe aus Erdöldestillat.

Vor allem durch das Auftreten schwei extrahierbarer Biomassechargen, für die im kontinuierlichen Prozeß bisher keine Erklärungen gefunden wurden, kommt es immer wieder zu empfindlichen Störu .en im kontinuierlichen Produktionsablauf, weil dann die Hefeerzeugung im Fermentor verringert werden muß, wodurch es zu zusätzlichen Imbalancen im Gesamtprozeß kommt, die sich ebenfalls auf die Produktqualitäten auswirken.

Ein weiterer erschwerender Faktor ist die Verfügbarkeit der Analysenergebnisse. Die mit den herkömmlichen Methoden durchgeführten Untersuchungen zur Ermittlung der Extrahierbarkeit sowie des Gehaltes an Kohlenwasserstoffen im Produkt ermöglichen erst nach 3-4 Tagen Aussagen zur Produktqualität. Somit kann auf Grund dieser Werte nur noch eine nachträgliche Korrektur von Fermentationsparametern vorgenommen werden. Auf das während der letzten drei Tage erzeugte Produkt kann dadurch allerdings kein Einfluß mehr genommen werden, sondern es muß aufwendig aufgearbeitet oder verworfen werden.

Andererseits ist entsprechend der gegenwärtig bekannten technischen Lösungen eine gezielte Veränderung von Produktqualitäten nicht möglich.

Gemäß DD WP 155287 wird ein Verfahren zur Herstellung von Trockenhefe mit verbesserten Applikationseigenschaften beschrieben, indem vor einer thermolytischen Behandlung des Produktes in der Suspension der Rohproteinkomponentengehalt so eingestellt wird, daß der Gehalt an organisch gebundenem Stickstoff mindestens 2% des in den Hefezellen der Suspension gebundenen Stickstoffs beträgt. Dia durch dieses Verfahren erreichten Produktqualiläten ergeben sich aus einer postfermentativen Behandlung der Hefe. Unterschiede in der Hefequalität zwischen einzelnen Produktchargen, die durch Fermentationseinflüsse hervorgerufen worden sind, können auch durch diese Behandlung rieht ausgeglichen werden.

Gemäß DD-WP 220851 ist eine Schaltungsanordnung bekannt mit deren Hilfe die Stickstoff- und Phosphorversorgung von Fe^rmentationsprozessen so eingestellt wird, daß der Prozeß mit Stickstoff und Phosphor optimal versorgt wird.

Aus Informationen über die Zulaufmengen von Phosphor und Stickstoff und Kohlenstoffquelle sowie den Konzentrationen von Biomasse, Phosphor und Stickstoff im Fermentorablauf sowie über die Fermentorablaufmenge werden die Sollwerte für die Dosierung von Stickstoff und Phosphor abgeleitet.

Die hier beschriebene Versorgung einer Fermentationskultur mit Stickstoff und Phosphor ist aber noch nicht ausreichend, um den Fermentationsprozeß technologierelevant zur Verbesserung der Extrahierbarkeit führen zu können. Da außerdem häufig die pH-Regelung über die Zugabe von Phosphorsäure und Ammoniak erfolgt, wird dadurch ein bestimmtes N:P-Verhältnis vorgegeben. Selbst wenn N und P in ausreichender Menge dosiert werden, so hängt der Verbrauch von der ausreichende Bereitstellung der Kohlenstoffquelle ab.

Auch wenn unter diesen Bedingungen eine hohe Produktivität erzielt werden kann, ist eine Beeinflussung der Produktqualität über die Einstellung des N :P-Verhältnisses nicht möglich, weil hierbei der Prozeß so geführt werden muß, daß der Stoffwechsel weitgehend in anaboler Richtung reguliert werden muß. Hierbei ist die Einstelking eines bestimmten N:P-Verhältnisses allein nicht ausreichend.

Gemäß Patentschrift DD 260940 Al erfolgt die Fermentation bei einem N/P-Vorhältnis von 2-20. In einer nachfolgenden zweistufigen thermolytischen Behandlung bei Temperaturen von 55-85⁰C werden zwei Fettsäurefraktionen entfernt, wodurch die Extraktion der Kohlenwasserstoffe erleichtert wird.

Nachteilig bei dieser Lösung ist der zusätzliche Energiebedarf für die Thermolyse sowie die partielle Lyse in der Biomasse überhaupt, wodurch ein Teil des in der Fermentation hergestellten Produktes zerstört wird.

Andererseits ist das N/P-Verhältnis im Bereich von 2-20 durchaus gebräuchlich, flereits in der vorn genannten Patentschrift DD 1058Γ.3 wird im Anwendungsbeispiel eine Hefe auf der Basis von Kohlenwasserstoffen in einer Mineralsalzlösung mit einem N-Gehalt von 2-450mg N/l und einem P₂O₅-Gehalt von 1350mg/l (entspricht 589mg P) fermentiert. Das entspricht einem N:P-Verhältnis von 4,2:1.

Aus praktischen Erwägungen läßt sich auch kaum bei anderen N/P-Verhältnissen kultivieren, ohne in die Gefahr einer N- oder P-Limitation einerseits bzw. einer zu hohen Abgabe von N oder P an die Umwelt andererseits zu geraten.

Außerdem ist die Angabe eines N/P-Verhältnisses ohne die Angabe der Mindestkonzentration an Phosphor nicht ausreichend, um die gewünschten Fermentationszustände zu beschreiben, da hierin auch Phosphatlimitationen enthalten wären. Werden wichtige Nährsalzkomponenten limitiert, so ist das eine Ursache von Prozeßanornalien, die mit den in den Patentschriften DD 255950 Al, DD 239221 Al, DD 241086 Al sowie DD 218777 dargestellten Mitteln verhindert werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Kultivierung von Hefon auf der Basis von Erdölkohlenwasserstoffen zur Gewinnung von eiweißreicher Hefebiomasse, das kontinuierlich zu jeder Zeit einen hohen Rohproteingehalt sowie gute Extrahierbarkeit der Restkohlenwasserstoffe gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch Anwendung geeigneter Fermentationsparameter die kontinuierliche Kultivierung von Hefen so zu führen, daß eine größtmögliche Produktmenge in der geforderten Qualität produziert wird. Im Falle des Einsatzes n-alkanhaltiger Erdöldestillate als Kohlenstoff- und Energiequelle besteht die Forderung nach leichter Extrahierbarkeit der nichtutilisierten Kohlenwasserstoffe aus der Hefebiomasse.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch Einstellung eines bestimmten KohlenstoffiStickstoff-Verhältnisses im Nährstoffangebot entsprechende Rohprotein- und Rohfettgehalte sowie eine entsprechende Extrahierbarkeit der Biomasse, bestimmt durch den nach einer vereinheitlichten Extraktionsmethode erreichten Kohlenwasserstoffgehalt im Produkt, erzielt werden.

Je nach Größe dieses Verhältnisses können diese Werte steigen oder fallen, kann sich die Extrahierbarkeit des Produktes verbessern oder verschlechtern. Dabei werden keine linearen Verhältnisse zwischen den einzelnen Parametern erreicht.

Die Aufgabe, eine leicht extrahierbare Hefebiomasse mit hohem Rohprotein- und niedrigem Rohfettgehalt auf der Basis von Kohlenwasserstoffen herzustellen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Fermentationsmedium ein molares Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff im Nährstoffangebot von 7-11:1 eingestellt wird.

Wird mit einem C:N-Verhältnis von 9-11:1 fsrmentiert so erhält man nach einer definierten Extraktionsmethode, die für alle untersuchten Produkte dieselbe ist, ein Produkt, dessen KW-Gehalt weit unter der Forderung des Fachbereichsstandards Trockenfutterhefe an der Basis von Erdöldestillaten (TGL 29187/02) von 5g Kohlenwasserstoffen je kg Trockenhefe liegt. Diese Laborextraktionsmethode liefert Produkte, die denen nach der für das Verfahren zur Herstellung von Futterhefe auf der Basis von Erdöldestillaten vorgesehenen Technologie mit drei hintereinandergeschalteten Extraktoren entsprechen. Weicht das C:N-Verhältnis vom Bereich 9-11:1 ab so erhält man ein Produkt das zum Teil noch innerhalb der Standardforderungen liegt oder aber der Kohlenwasserstoffgehalt kann mit erhöhtem Extraktionsaufwand bis auf den zulässigen Höchstgehalt abgesenkt werden.

Wird die Fermentation hingegen bei Bedingungen außerhalb des 7-11:1 Verhältnisses betrieben, so weisen die Produkte nach der Extraktion einen Kohlenwasserstoffwert auf, der über der zulässigen Höchstgrenze von 5g/kg liegt. Diese Produkte können nur mit einem unvertretbar hohen Extraktionsaufwand aufgearbeitet werden, damit sie den Standardforderungen entsprechen bzw. sie erweisen sich als nicht extrahierbar.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung, d. h. Fermentation von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung eiweißreicher, lipidarmer Hefebiomasse zu Futterzwecken bei einem C: N-Verhältnis im Nährstoffangebot von 7-11:1, bringt folgende Vorteile:

1. Es wird eine hochwertige Hefebiomasse mit hohem Rohprotein- und niedrigem Lipidgehalt erzeugt.

2. Die Extraktion der nichtutilisierten Kohlenwasserstoffe zur Einhaltung des maximal zulässigen Kohlenwasserstoffgehaltes der Biomasse ist in jedem Falle möglich.

3. Es werden bereits in der Fermentation Biomassen mit einheitlicher Produktqualität erzeugt, schwer oder nicht extrahierbare Produktchargen entfallen.

Dadurch wird die Kontinuität des Produktionsprozesses gewährleistet und der Aufwand für postfermentative Maßnahmen kann minimiert werden.

4. Eine thermolytische Behandlung der Hefesuspension vor der Trennung zur Entfernung von Fettsäurefraktionen ist nicht notwendig.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Die Hefe Candida maltosa PCK 1 - IMET 43891 -wird in einem Laborfermentor mit eimern Arbeitsvolumen von 5I mit einem n-alkanhaltigen Erdöldestillat kontinuierlich gezüchtet.

Die Kultivierung erfolgt mit folgenden Parametern:

Temperatur:	32 0C
pH-Wert	4,2 Regelung mit NaOH (10%)
Durchflußrate:	0,25h1
Fermentorarbeitsmasse:	5 kg
Rührerdrehzahl:	2000Min.-'
Lufteintrag:	500 l/h
Nährlösung
KCI	1,33 g
MgSO4 χ 7 H2O	1,79 g
FeCI3	0,035 g
CuSO4 χ 5 H2O	0,047 g
ZnSO4 x 7 H2O	0,026 g
MnSO4 χ H2O	0,018g

H₃PO₄ (85%) 3ml auf 1.000 ml Trinkwasser C- und Energiequelle: Dieselkraftstoff mit 13,F Ma.-% n-Alkane C_DK: 150g/kg N-Quelle: NH₄OH (12%) Das jeweilige C:N-Verhältnis wird eingestellt durch unterschiedliche Zugabe von NH₄OH, die Dieselkraftstoffkonzentration bleibt konstant.

Die durchgeführten Versuche sowie die dazugehörigen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle enthalten.

In der Tabelle sind die Versuche gegenübergestellt, die entsprechend der bisherigen Technologie bzw. der erfindiingsgemäßen Lösung durchgeführt wurden.

Versuch	N-Dosierung.C:N-	mgN/kg	N-Konzen-	Konzen-	Produktiv.	Rohprotein	Rohfett	Kohlenwasser
Nr.	Verh.	trationim	im		gehalt	gehalt	stoffgehalt in
		Ablauf	Ablauf				extrahierter Biomasse
	mg/kg	mg/kg	g/kg/h	%	%	%

entspr.	1639	11,8:1	11,0:1	131	55	4,1	63,1	4,3	0,61
bisher.	Technologie		10,6:1
2	1652	12,1:1	8,7:1	128	50	4,0	62,1	4,5	0,65
entspr.	bisher. Technologie	7,1:1
3	1763	7,1:1	266		4,1	67,5	2,3	0,1
4	1883	279		4,2	68,1	2,4	0,1
5	2300	818	78	4,2 ·	68,8	2,0	0,05
6	2810	1100	82	4,5	63,6	2,0	0,48
7	2810	1100	48	4,2	62,4	2,1	0,46

Beispiel 2

Die Hefe Candida maltosa EH-15 wird in einem Laborfermentor mit einem Arbeitsvolurnen von 51 mit einem n-alkanhaltigen Erdöldestillat kontinuierlich gezüchtet.

Die Kultivierungsparametei, Nährlösungsz'jsammensetzung sowie gefahrene Versuchspunkte sind identisch mit Beispiel 1. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:

Versuch-Nr.	N-Dosierg.	1652	1763	C:N-	N-Konzentration	Produktivität	Rohprotein	Rohfettgehalt	Kohlenwas
	(mg/kg)		1883	Verh.	im Ablauf (mg/kg)	(g/kg/h)	gehalt (%)	(%)	serstoffgehalt
		bish. Technologie	2300						in extrahierter
		3	2810						Biomasse
1	1689	4	11,8:1	138	3,7	61,2	4,3	0,68
entspricht		CJl
bish. Technologie	6
2	12,1:1	140	3,5	61,1	4,2	0,70
entspricht
11,0:1	275	3,7	66,5	2,5	0,1
10,6:1	280	3,7	68,0	2,6	0,1
8,7:1	805	3,8	67,9	2,0	0,05
7,1:1	1100	3,9	65,1	2,1	0,5

Claims (1)

1. Verfahren zur Gewinnung eiweißreicher und lipidarmer Hefebiomasse zu Futterzwecken durch kontinuierliche Kultivierung von Candida maltosa auf Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoff- und Energiequelle in einer Nährlösung, gekennzeichnet dadurch, daß im Nährstoffangebot ein molares Kohlenotoff :Stickstoff-Verhältnis von 7-11:1 und eine N-Konzentration im Fermentorablauf von 200 bis 1 200mg/kg eingestellt wird.

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Hefebiomasse hoher Qualität zu Futterzwecken. Sie gehört in das Gebiet der technischen Mikrobiologie und kann in Anlagen zur Erzeugung von Einzellerprotein angewendet werden.