DE587819C - Verfahren zur Herstellung von Gluconsaeure oder Citronensaeure und deren Salzen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Gluconsäure oder Citronensäure und deren Salzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gluconsäure oder gegebenenfalls Citronensäüre und deren Salzen durch Vergärung von glücosehaltigen Kohlehydraten unter Verwendung einer Pilz- oder Bakteriendecke.
• Bekanntlich vermögen Fadenpilze der Gattungen Aspergillus, Citromyces, Penicilliurn, Mucor sowie' Bakterien aus der Gruppe des B. xyhnum, B. industrium, B. oxydans; B. gluconicum usw. Gluconsäure aus Glucose zu erzeugen.
• Es wurden auch schon Versuche gemacht, mit Hilfe der genannten Pilze bzw. Bakterien aus reinen Zuckerlösungen oder Glucoselösungen Gluconsäure herzustellen. Diese Versuche waren alle Laboratoriumsversuche, da man der Annahme war, daß ,von reinen Grundsubstanzen ausgegangen werden müsse.
• Versuche haben ergeben, daß nicht reine Glucose bzw. reine Zuckerarten zur Herstellung von Gluconsäure verwendet zu werden brauchen, sondern daß man z. B. von Zucker enthaltenden Stoffen, wie Rübenschnitzeln, Melasse, Rohzuckersäften usw., ausgehen kann. Als besonders geeignetes Ausgangsprodukt erwiesen sich Stärke oder stärkehaltige Materialien, wie alle Getreidesorten, aber auch Roßkastanien, Lupinen usw.,, da hierbei die Ausbeute an Gluconsäure bedeutend höher ist. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, die Stärke oder stärkehaltigen Rohstoffe in üblicher Weise zu hydrolisieren, und zwar entweder zu Glucose durch Einwirkung von Säuren oder zu Maltose durch Einwirkung von Diastase enthaltenden Stoffen, wie Malz oder Malzextrakten usw. Geht man hierbei von einem künstlichen Substrat aus, so ist der Zusatz von Nährsalzen erforderlich, wobei neben der üblichen Anwendung von Kaliumphosphat und Magnesiumsulfat insbesondere die Art der Stickstoffquelle von Einfluß auf die Entwicklung eines gut Gluconsäüre bildenden Pilzmycels ist. Am besten bewähren sich dabei Ammonsulfat oder Aminosäuren oder peptonhaltige Substanzen, doch können auch alle sonstigen ungiftigen stickstoffhaltigen Substanzen Verwendung finden.
• Bei Anwendung von Pilzen für die Gluconsäureherstellung ist zunächst die Auswahl eines geeigneten Pilzstammes erforderlich; dies erfolgt in systematisch durchzuführenden Kleinversuchen durch Vergleich des Gluconsäurebildungsvermögens der verschiedenen Pilzstämme. Die Durchführung der Gluconsäureherstellung im technischen Betrieb geschieht in der Weise, daß zunächst durch Dampf oder direktes Erhitzen sterilisierte Flüssigkeit nach ihrer Abkühlung mit Sporen des geeigneten Pilzstammes stark angeimpft wird, so dä;ß sich eine Pilzdecke bildet. Der Flüssigkeit . wird zweckmäßig eine entsprechende Menge Calciumcarbonat sowie noch weitere Zuckerlösung usw. entweder auf einmal oder in einigen Anteilen zugesetzt.
• Dieser Flüssigkeit kann ein für die Gluconsäurebildung selbst unschädlicher Giftstoff zugesetzt werden, der Infektionen durch fremde Organismen verhindert, da, wie die Erfahrung lehrt, insbesondere Buttersäurebakterien den Prozeß der Gluconsäurebildung fast völlig hemmen können, da die Pilze gegenüber der Buttersäure sehr empfindlich sind. Als derartige Giftstoffe kommen in Betracht z. B. organische Quecksilberverbindungen, wie z. B. die Samenbeizmittel Chlorphenolquecksilber oder Cyanmercurikresolnatrium, aber auch anorganische Verbindungen, wie Sublimat, Silbernitrat usw., wobei jeweils die geeignete Konzentration zu ermitteln ist. Dieser Zusatz von Giftstoffen ist besonders dann von Wichtigkeit, wenn der Prozeß in annähernd neutraler Lösung vor sich geht und daher des Selbstschutzes der eigenen Säuerung entbehrt. Der Zusatz von Calciumcarbonat ist deshalb zweckmäßig, weil sonst die Gluconsäurebildung vielfach entweder zum Stillstand kommt oder die Säure in Citronensäure oder Oxalsäure übergeführt wird. Bei bestimmten Pilzstämmen, insbesondere solchen, die schlechte Citronensäurebildner sind, kann auch in Abwesenheit von Neutralisationsmitteln gearbeitet werden, doch ist dann die Ausbeute an Gluconsäure viel geringer. Als Neutralisationsmittel sind außer Calciumcarbonat auch Bariumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Natriumcarbonat usw. geeignet, je nachdem welches Salz der Gluconsäure man herstellen will; außerdem können auch stärker alkalische Stoffe, wie Calciumoxyd, Bariumhydroxyd usw., verwendet werden, wenn für allmählichen Zusatz Sorge getragen wird. Der Zusatz der weiteren Zuckerlösung bzw. Maische ist deshalb zweckmäßig, weil dadurch die Konzentration der noch vorhandenen Stickstoffsalze verringert wird und andererseits das Pilzmycel imstande ist, größere Mengen von glucosehaltigem Material in Gluconsäure überzuführen. Der Gluconsäurebildungsprozeß selbst geht bekanntlich in Gegenwart von möglichst wenig Stickstoff am besten vor sich, und der erwähnte Zusatz ermöglicht es, diese Bedingungen zu erzeugen.
• Bei den bisherigen Gärungsverfahren durfte die Pilzdecke nicht berührt werden, da die allgemeine Ansicht bestand, daß bei einem Zerreißen der Pilzdecke die biochemische Tätigkeit des Pilzes gestört werde.
• Versuche haben jedoch gezeigt, daß bei vorsichtigem Aufheben der Pilzdecke die Tätigkeit des Pilzes nicht nur nicht gehindert wird, sondern -infolge der möglichen Entgasung des Gäransatzes dessen Lebensdauer noch verlängert wird. Von sich bildenden Gasen kommt insbesondere Kohlensäure in Betracht, die entweder durch Atmung bzw. durch Gärung oder bei der Neutralisation der gegebenenfalls zugesetzten Carbonate entsteht. Erfindungsgemäß werden bei vorliegendem Verfahren die Pilzdecken durch entsprechende Vorrichtungen planmäßig vorsichtig aufgehoben und gegebenenfalls ein Umrühren der - Gärflüssigkeit herbeigeführt. Dem dabei entstehenden Kohlendioxyd ist so zugleich Gelegenheit zum Entweichen geboten. Auf diese Weise gelingt es, auch eine in relativ hoher Schicht befindliche Zuckerlösung in kurzer Zeit in gluconsaures Salz zu verwandeln. Nach erfahrungsmäßiger Beendigung des Prozesses wird, ohne die Flüssigkeit abzuziehen, nach Zusatz einer neuen Zuckerlösung mit Giftstoff und Calciumcarbonat der Prozeß bis zur Erschöpfung der Gärflüssigkeit wiederholt, wobei weitere reichliche Mengen von Gluconsäure entstehen. Zur Ermöglichung des leichteren Abhebens der Pilz- oder Bakteriendecke können Raste, Siebe o. dgl. verwendet werden, die nur während des Abhebens der Decke mit dieser in Berührung kommen. Das Abheben der Decke kann von Hand aus oder durch mechanische Zeitantriebe erfolgen. Es kann auch die Einrichtung zum Heben der Pilz- oder Bakteriendecken mit der Einrichtung zum Rühren der Flüssigkeit zweckmäßig verbunden werden.
• Es kann auch so vorgegangen werden, daß die Pilzhaut zerkleinert wird und dann unter Schütteln, Rühren oder unter Einleiten von Luft auf die Zuckerlösung, die mit Giftstoff und Neutralisationsmittel versehen ist, zur Einwirkung gebracht wird. Die günstigste Temperatur für die Arbeit mit Pilzdecken ist 3o bis 35'. Der Prozeß ist unter Einrechnung der Wachstumsperiode des Pilzmycels in der Regel in q. bis 5 Tagen beendigt, ohne Einrechnung derselben in 2 bis 3 Tagen. Bei wiederholtem Zusatz von Zuckerlösung verlängert sich die Gärperiode etwas. Die Ausbeute Beispielsweise an Calciumgluconat berechnet auf wirklich vorhanden gewesene Glucose" ist bei Verwendung eines geeigneten Pilzstammes fast quantitativ.
• Wenn man die Erzeugung der Gluconsäure mit Hilfe von Bakteriendecken aus den obengenannten Gruppen durchführen will, so arbeitet man im Prinzip analog. Als Nährboden verwendet man am besten Hefeextrakte usw., die in bekannter Weise hergestellt werden. Ein Zusatz von Neutralisationsmitteln ist nicht unbedingt erforderlich, kann jedoch vielfach von Vorteil sein. Als Mittel zur Verhinderung von Infektionen durch fremde Organismen verwendet man Zusätze von niederen Fettsäuren, wie z. B. Ameisensäure; Essigsäure, Propionsäure oder Buttersäure, wobei die jeweils geeignetste Konzentration zu ermitteln ist. Der Prozeß geht am besten bei 25 bis 28' vor sich und währt etwa z bis 2 Wochen.
• Die Gewinnung der Gluconsäure erfolgt am besten in Form eines Salzes, z. B. des Calciumgluconates. Man verdampft die calciumgluconathaltige Flüssigkeit im Vakuum bis zur geeigneten Konzentration. Die entleerte Masse erstarrt alsbald zu einem Kristallbrei, aus dem durch Abschleudern oder Abpressen das Calciumgluconat gewonnen werden kann. Nach dem Umkristallisieren aus heißem Wasser unter eventueller Anwendung eines Entfärbungsmittels erhält man reines Produkt, aus dem jede Spur von Giftstoff ausgewaschen wird und aus dem man, wenn erwünscht, in bekannter Weise die freie Gluconsäure oder deren Lakton herstellen kann. Beispiel i 6 kg gelber Rohzucker werden in 40 1 Wasser gelöst und mit den erforderlichen Nährsalzen (8o g (N H4) 2 SO" 40 g K H,P O4 und 2o g Mg S 04) versetzt, durch Erhitzen sterilisiert und eingefüllt. Nach dem Abkühlen wird mit einer geeigneten Pilzkultur von Aspergillus niger geimpft. Nach etwa 2tägiger Entwicklung bei etwa 35' werden weitere 6 kg Rohzucker in etwa 15°/Qiger Lösung zugesetzt und etwa 1,2 kg CaCO3 (Schlämmkreide) eingerührt. Von nun an ist die Pilzdecke mit Hilfe einer geeigneten im Gärgefäß befindlichen Vorrichtung, wie eines Rostes oder Netzes, mindestens zweimal in 24 Stunden aufzuheben und das Ca C 03 aufzurühren bzw. gegebenenfalls weitere Mengen desselben zuzusetzen, wobei die sich entwickelnde und für die Fortführung der Gärung schädliche Kohlensäure entweichen kann. Der gleiche Zusatz wie zuvor wurde noch zweimal in sinngemäßer Weise wiederholt, bis insgesamt 2q: kg Rohzucker mit gleicher Decke verarbeitet sind, was insgesamt 12 Tage dauert. Die Ausbeute an reinem Ca-Gluconat beträgt z? kg und entspricht daher, bezogen auf die vorhanden gewesene Glucosemenge, etwa 8o°/, der Theorie. Das Gluconat ist praktisch frei von Citronensäure und Oxalsäure.
• Beispiel 2 Im gleichen Gärgefäß wie in Beispiel i wird in analoger Weise eine Pilzdecke zur Entwicklung gebracht, und nach etwa 2, 6 und g Tagen werden je weitere 6 kg Rohzucker in z5°/oiger Lösung und etwa 4 kg CaC03 zugesetzt. Nach insgesamt 22tägiger Gärzeit in Ruhe wurden aus 24 kg Rohzucker nur etwa 5 kg Ca-Gluconat und 4 kg Ca-Citrat gewonnen. Dabei sind noch große Mengen an .Zucker unverbraucht.
• Beispiel 3 io kg Stärke werden mittels H2 S 04 verzuckert, nach dem Neutralisieren reit Ba C 03 und Entfernen des Ba-Sulfates wird die Zuckerlösung, die 130/() Glucose enthält, mit Nährstoffen (1 1 Leimabsud mit 15 g Stickstoff; 4o g K H2 P 04, 2o g Mg S 04) versetzt, durch Erhitzen sterilisiert, in flache Schalen gefüllt, abgekühlt und mit einer geeigneten Kultur von Penicillium geimpft. Nach 2- bis 3tägiger Pilzentwicklung bei etwa 3o' wird eine weitere Zuckerlösungsmenge aus io kg Stärke mit 15 bis 2o°/, Glucosegehalt und o,i g Quecksilberchlorid zugesetzt. Nach dem Einrühren einer ausreichenden Menge Bariumcarbonat wird der Gäransatz bei der gleichen Temperatur belassen, wobei innerhalb 24 Stunden zwei-bis dreimal die Pilzdecke aufzuheben und das BaC03 aufzurühren ist. Weiterhin wird sinngemäß wie in Beispiel i vorgegangen. Die Ausbeute ari reinem Ba-Gluconat beträgt 32 kg bei Verarbeitung von insgesamt 4o kg Stärke.
• Beispiel 4 Es wird ein Gäransatz wie in Beispie13 gemacht, jedoch mit dem Unterschiede, daß den Zuckerlösungen kein Quecksilbersalz zugesetzt wird. Es werden aus insgesamt 4o kg Stärke nur 18 kg Ca-Gluconat neben 2 kg Ca-Citrat gewonnen. Beispiel 5 Es werden Kartoffeln in üblicher Weise aufgeschlossen und durch Malz verzuckert. Die aus ioo kg Kartoffeln und 4 kg Malz erhaltene Maische (entsprechend 19,2 kg Glucose) 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 etwa 28' werden 5o g Buttersäure zugesetzt und mit einer geeigneten Kultur von Bacterium xylinum geimpft. Man legt auf die Flüssigkeit ein Netz aus Glaswolle, auf dem sich die gallertige Bakteriendecke fängt. Man hebt mit geeigneter Vorrichtung diese 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 CaC03 zugesetzt. Falls bei dieser Behandlung die gebildete Bakterienhaut untersinkt, entwickelt sich alsbald eine neue. Nach etwa 14tägiger Gärdauer ist der Prozeß beendet, und das Ca-Gluconat kann in üblicher Weise gewonnen werden.. Man erhält 18 kg Ca-Gluconat von weitgehendster Reinheit.
• Beispiel 6 Es wird ein Gäransatz mit gleicher Gärflüssigkeit wie bei Beispiel 5 angestellt, mit dem Unterschiede, daß keine Buttersäure zugesetzt wird und die Decke nicht abgehoben wird. Die Ausbeute beträgt io kg Ca-Gluconat. Beispiel 7 Es wurden drei Gäransätze mit einer Gärflüssigkeit, die nach Beispiel 3 angesetzt wurde, durchgeführt, und zwar bei verschiedenen Temperaturen. Der eine Versuch lief bei 35', zwei Versuche bei -,o' C. Die Nährsalzmenge und die Versuchsbedingungen waren die gleichen wie bei Beispiel 3. Bei dem Versuch bei 35' (Versuch A) und bei einem Versuch bei 2-o' (Versuch B) wurde am 3., 7. und ii. Tage neue Gärflüssigkeit aus io kg Stärke zugesetzt; bei dem dritten Versuch bei 2o ° C (Versuch C) erfolgte dieser Zusatz am 3., io. und =7.. Tage. Schon die fortlaufende Kontrolle des Säuerungsprozesses ergab, daß die Säuerung bei 2o' C viel langsamer vor sich ging als die :Säuerung bei 35' C. Die Ausbeuten nach der Abstellung der Versuche waren die nachstehenden: A) im Versuch bei 35' C nach i4Tagen 30 kg Ca-Gluconat, B) im Versuch bei 2o' C nach i4Tagen 13 kg Ca-Gluconat, C) im Versuch bei 2o' C nach 25 Tagen i9 kg Ca-Gluconat.
• Das Durchführungsbeispiel i zeigt gegenüber dem Beispiel :z die Ausbeutesteigerung an Calciumgluconat, die infolge Abhebens der Decke und des dadurch ermöglichten Entweichens der Kohlensäure eintritt. Das Beispiel 3 zeigt gegenüber dem Beispiel 4 die günstige Auswirkung des Zusatzes von Giftstoffen auf die Ausbeute und die Reinheit des Calciumgluconates bei der Durchführung der Gluconsäuregärurig unter Benutzung des Abhebens von Decken. Während die Beispiele i bis 4 unter Benutzung von Schimmelpilzen durchgeführt wurden, werden in den Beispielen 5 und 6 Bakterien verwendet. Das Beispiel 7 zeigt die Auswirkung der günstigsten Gärtemperatur.-

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung von Gluconsäure oder Citronensäure und deren Salzen durch Vergärung von glucosehaltigen Kohlehydraten unter Verwendung einer Pilz- oder Bakteriendecke sowie gegebenenfalls unter Verwendung von Neutralisationsmitteln für die entstandene Säure, wie Calciumcarbonat u. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Gärflüssigkeit befindliche Pilz- oder Bakteriendecke planmäßig von Zeit zu Zeit angehoben wird, um ein Entweichen der sich durch Atmung oder beim Neutralisieren bildenden Kohlensäure und gegebenenfalls ein Umrühren der bis zur Erschöpfung verbleibenden Gärflüssigkeit zu ermöglichen.
2. 2. Verfahren zur Herstellung von Gluconsäure nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die geimpfte Gärflüssigkeit vorteilhaft auf einer Temperatur gehalten wird, die beim Arbeiten mit Pilzen 30 ° bis 35 ° und beim Arbeiten mit Bakterien z5 ° bis 30' beträgt.
3. 3. Verfahren zur Herstellung von Gluconsäure nach Anspruch i und 2 unter Verwendung von Pilzdecken, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärflüssigkeit während des Arbeitsganges Giftstoffe zugesetzt werden, welche das Aufkommen fremder Organismen hindern, ohne die enzymatische Tätigkeit des Säurebildners zu beeinflussen, z. B. organische oder anorganische Quecksilberverbindungen.
4. 4. Verfahren zur Herstellung von Gluconsäure nach Anspruch i und 2 unter Verwendung von Bakteriendecken, dadurch gekennzeichnet, daß der Gärflüssigkeit von vornherein niedre Fettsäuren, wie Ameisensäure, Essigsäure, Buttersäure o. dgl., zugesetzt werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorhandenen Gärflüssigkeit nach Bildung der Pilz- oder Bakteriendecke von Zeit zu Zeit weitere Gärflüssigkeit zugesetzt wird.