EP1957659A1 - Fermentative production of organic compounds - Google Patents

Fermentative production of organic compounds

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Publication number
EP1957659A1
EP1957659A1 EP06830136A EP06830136A EP1957659A1 EP 1957659 A1 EP1957659 A1 EP 1957659A1 EP 06830136 A EP06830136 A EP 06830136A EP 06830136 A EP06830136 A EP 06830136A EP 1957659 A1 EP1957659 A1 EP 1957659A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
starch
fermentation
medium
suspension
solid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06830136A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Boy
Stephan Freyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of EP1957659A1 publication Critical patent/EP1957659A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P13/00Preparation of nitrogen-containing organic compounds
    • C12P13/04Alpha- or beta- amino acids
    • C12P13/08Lysine; Diaminopimelic acid; Threonine; Valine
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P13/00Preparation of nitrogen-containing organic compounds
    • C12P13/04Alpha- or beta- amino acids
    • C12P13/14Glutamic acid; Glutamine

Definitions

  • the present invention relates to the fermentative preparation of organic compounds having at least 3 C atoms or having at least 2 C atoms and at least 1 N atom using a sugar-containing medium which comprises at least a portion of the non-starchy solid components of the starch source for culturing of microorganisms.
  • Sugar-containing liquid media are a basic nutrient source for many fermentation processes; the sugars contained in the media are metabolized by the microorganisms used to obtain organic products of value.
  • starch An important source of carbon for the microorganism-mediated fermentative production of microbial metabolites is starch. This must first be liquefied and saccharified in upstream reaction steps before it can be used as a carbon source in a fermentation.
  • starch from a natural source of starch such as potatoes, cassava, cereals, z.
  • a natural source of starch such as potatoes, cassava, cereals, z.
  • wheat, corn, barley, rye, triticale or rice usually obtained in pre-purified form and then enzymatically liquefied and saccharified, and then in the actual Fer- mentation for the production of the desired metabolic products.
  • non-purified starch sources for the production of carbon sources for the fermentative production of microbial metabolites.
  • starch sources are first crushed by grinding.
  • the millbase is then subjected to liquefaction and saccharification. Since, in addition to starch, this millbase naturally also contains a number of non-starch-containing constituents which can adversely influence the fermentation, these constituents are usually separated off before the fermentation.
  • the removal can be carried out either directly after grinding (WO 02/077252, JP 2001-072701, JP 56-169594, CN 12181 11), after liquefaction (WO 02/077252, CN 1 173541) or following the saccharification (CN 1266102; Beukema et al .: Production of fermentation syrups by enzymatic hydrolysis of potatoes; potatoe saccharification to give culture medium (Conference Abstract), Symp. Biotechnol. Res Neth., (1983) 6, NL8302229). In all variants, however, a largely pure starch hydrolyzate is used in the fermentation.
  • More recent processes for the fermentative production of organic compounds comprise in particular a purification of the starch sources prior to fermentation, for.
  • non-purified starch sources are widely used in the fermentative production of bioethanol.
  • the starch sources usually whole cereal grains, first dry milled and then hydrolyzed the starch component of the starch source under the action of enzymes.
  • the hydrolysis both discontinuously, z. B. in stirred tanks, as well as continuously, for. B. To be performed in jet cookers.
  • Corresponding process descriptions can be found z.
  • the Alcohol Textbook - A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries Jaques et al. (Ed.), Nottingham Univ. Press 1995, ISBN 1-8977676-735, Chapter 2, pp. 7 to 23, and in McAloon et al., “Determining the cost of producing ethanol from starch and lignocellulosic feedstocks," NREL / TP-580-28989, National Renewable Energy Laboratory, October 2000.
  • the viscosity of the suspension can reach a critical value as a result of the introduction of solids already in the preparation of the starchy suspension, whereby z. B. a suspension with more than 30 wt .-% maize flour in water is no longer homogeneously miscible (Industrial Enzymology, 2nd ed., T. Godfrey, S. West, 1996). This limits the glucose concentration in the conventional procedure. This is not relevant in view of the fermentative production of bioethanol, since higher concentrations due to the toxicity of the product for the yeasts used for fermentation could not be implemented in any case meaningful.
  • JP 2001/275693 describes a process for the fermentative production of amino acids, in which the starch source used is peeled cassava nodules which have been ground dry. For carrying out the process, however, it is necessary to set a particle size of the ground material of ⁇ 150 ⁇ m. In the filtration used for this purpose, parts of the grinding stock used, including non-starchy constituents, separated before liquefaction / saccharification of the starch contained and subsequent fermentation. Moderate sugar concentrations are achieved in this process. A similar process is described in JP 2001/309751 for the preparation of an amino acid-containing feed additive.
  • Increased sugar concentrations in the liquid medium used for fermentation can be achieved by using a method of saccharification largely containing the solid, non-starchy components of the starch source by the method described in WO 2005/116228 (PCT / EP2005 / 005728) of the Applicant , A separation of the solid, non-starch-containing components contained in the starch source before fermentation has surprisingly proved to be unnecessary.
  • a similar process using starch sources selected from cereal grains is described in the applicant's PCT / EP2006 / 066057 (earlier patent application DE 10 2005 042 541.0). For a continuous supply of sugary media with high sugar concentration, however, this method is relatively expensive.
  • the process should allow for continuous hydrolysis of the starch component of the starch source.
  • it should be characterized by easy handling of the media used and their ease of use in fermentation.
  • the process should allow the use of cereals as a source of starch.
  • hydrolysis of the starch constituent in the millbase by liquefaction and optionally subsequent saccharification to obtain an aqueous medium M containing the hydrolyzed starch constituents of the starch source and at least containing part of the non-starchy solid constituents of the starch source, wherein the hydrolysis comprises heating the suspension of the millbase by introducing water vapor into the suspension at temperatures above the pasting temperature of the starch contained in the millbase.
  • the invention thus provides a process for preparing at least one organic compound having at least 3 C atoms or having at least 2 C atoms and at least 1 N atom by fermentation, comprising, in addition to steps i) and ii), the following steps:
  • step iv) using the aqueous medium M obtained in step iii) in a fermentation to cultivate a microorganism which is capable of overproducing the organic compound;
  • step iii) the suspension obtained in step ii) by introducing
  • the high content of solid, non-starchy components of the starch source in the resulting medium surprisingly does not interfere with the fermentation.
  • viscosity problems as they can occur during liquefaction of the starch source at higher concentrations of ground material, largely avoided.
  • the medium can be used in a particularly advantageous manner in the feeding phase of the fermentation, whereby an undesirable dilution is largely avoided or at least significantly reduced.
  • the medium M obtainable according to the invention is suitable as a sugar source in the batch phase of the fermentation.
  • starch content and “starch component” are used interchangeably here and below.
  • aqueous medium M obtained in step iii the terms “aqueous medium”, “liquid medium” and “aqueous sugar-containing liquid” are used synonymously.
  • reaction means the hydrolytic degradation of starch into oligosaccharides, especially dextrins.
  • sacharification or “saccharification” here and in the following mean the hydrolysis of dextrins to monosaccharides, in particular to monosaccharides such as glucose.
  • sacharifying enzyme an enzyme which hydrolyzes dextrins to monosaccharides.
  • oligosaccharides obtained by hydrolytic degradation of starch which as a rule consist of 3 to 18, in particular 6 to 12 monosaccharide units, in particular of glucose units.
  • glucose equivalents and “sugar concentration” refers to the total concentration of mono-, di- and oligosaccharides in the medium potentially available for fermentation.
  • glucose equivalents also includes the metabolizable sugars or sugar units other than glucose.
  • overproducing and overproduction are used herein and hereafter with respect to a microorganism to refer to its property of producing one or more of its metabolites in an amount in excess of the amount needed to replicate the microorganism, whereby it comes to the enrichment in the fermentation medium, wherein the enrichment can take place extra- or intracellularly.
  • Suitable starch sources for grinding are, above all, dry grain crops or seeds which, when dried, have at least 40% by weight and preferably at least 50% by weight of starch. These are found in many of today's large-scale crops such as corn, wheat, oats, barley, rye, triticale, rice and sugar beets, potatoes, cassava and various types of millet, z. Sorghum and MiIo.
  • the starch source is selected from cereals and especially among corn, rye, triticale and wheat grains.
  • the method according to the invention can also be used with analogue starch sources perform such as a mixture of starchy corn kernels or seeds.
  • the respective starch source with or without the addition of liquid, for.
  • liquid for.
  • water ground, preferably without the addition of liquid. It can also be a dry grinding combined with a subsequent wet grinding.
  • hammer mills, rotor mills or roll mills are typically used;
  • agitating mixers, stirred ball mills, circulation mills, disk mills, annular chamber mills, vibrating mills or planetary mills are suitable.
  • other mills come into consideration.
  • the amount of liquid required for wet milling can be determined by the skilled person in routine experiments. Usually it is adjusted so that the content of dry matter in the range of 10 to 20 wt .-% is.
  • the millbase obtained contains 50 wt .-% of flour particles having a particle size of more than 100 microns.
  • at least 95% by weight of the ground flour particles have a particle size of less than 2 mm.
  • the measurement of the grain size is carried out by sieve analysis using a vibration analyzer.
  • a small grain size is basically advantageous for achieving a high product yield. Too small a particle size, however, can lead to problems, in particular due to lump formation / agglomeration, during mashing of the ground material during liquefaction or during work-up, eg. As in the drying of the solids after the fermentation step, lead.
  • Flours are usually characterized by the degree of milling or by the type of flour, and these correlate with one another in such a way that the index of flour type increases as the degree of pulverization increases.
  • the Ausmahlungsgrad corresponds to the amount by weight of the recovered flour, based on 100 parts by weight of the millbase used. While grinding first pure, finest flour, z. B. from the interior of the grain, is obtained in further milling, so with increasing Ausmahlungsgrad, the proportion of Rohfaser- and shell content in the flour, the starch content is lower.
  • the Ausmahlungsgrad is therefore also reflected in the so-called flour type, which as a number for classification of flours, in particular of cereal flours, and based on the ash content of the flour (so-called ash scale).
  • the flour type or the type number indicates the amount of ash (minerals) in mg, which remains when burning 100 g flour powder substance.
  • a higher type number means a higher degree of milling since the kernel of the cereal grain contains about 0.4% by weight, while the shell contains about 5% ash by weight.
  • the cereal flours are therefore predominantly composed of the comminuted flour body, ie the starch constituent of the cereal grains; if the degree of milling is higher, the cereal flours also contain the crushed, protein-containing aleurone layer of the cereal grains; in the case of meal, the constituents of the proteinaceous and fat-containing seedling as well as the raw fiber and ash-containing seed shells.
  • Flours having a high degree of milling or a high type number are generally preferred for the purposes according to the invention. If grain is used as the source of starch, then preferably the whole unpeeled grains are ground and processed further, if appropriate after prior mechanical separation of germ and husks.
  • the millbase used contains at least one part, preferably at least 20% by weight, in particular at least 50% by weight, especially at least 90% by weight and especially not less than 99% by weight of those contained in the ground cereal grains starchy solid ingredients, according to the degree of milling.
  • the proportion of non-starchy solid constituents millbase is preferably at least 10 wt .-% and in particular at least 15 wt .-%, z. B. between 15 and 75% by weight and especially between 20 and 60 wt .-%.
  • step ii) the millbase in step ii) with an aqueous liquid, for. B. fresh water, recycled process water, z. B. from a subsequent fermentation, or mixed with a mixture of these liquids, to obtain an aqueous suspension.
  • an aqueous liquid for. B. fresh water, recycled process water, z. B. from a subsequent fermentation, or mixed with a mixture of these liquids.
  • This process is often referred to as mashing.
  • such an amount of the starch source or of the millbase will be mixed with the aqueous liquid that the resulting suspension has a dry matter content of at least 45% by weight, frequently at least 50% by weight, in particular at least 55% by weight. %, especially at least 60 wt .-%, z. B. 45 to 80 wt .-%, preferably 50 to 75 wt .-%, in particular 55 to 70 wt .-% and especially 60 to 70% by weight.
  • the aqueous liquid used for suspending the solid millbase to a slightly elevated temperature, for. B. in the range of 40 to 70 ° C, pre-tempering. It is preferred that the temperature of the liquid be as high as is selected, that the resulting suspension has a temperature below the vitrification temperature, preferably at least 5 K below the gelatinization temperature of the starch. Preferably, the temperature of the suspension will not exceed 60 ° C, especially 55 ° C.
  • Suspending particulate millbase in the aqueous liquor may be both batch and continuous in conventional equipment, such as intermittently in agitator mixers or in continuously operated mixing equipment for solids mixing with liquids, for example in mixers downstream of the rotor stator Principle work.
  • the aqueous suspension containing the millbase is first heated by introducing steam into a temperature above the gelatinization temperature of the starch contained in the starch source or the millbase.
  • the temperature required for the respective starch is known to the person skilled in the art (see the cited "The Alcohol Textbook - A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries", Chapter 2, p. 11) or can be determined by him in routine experiments Typically, the mixture is heated to a temperature which is at least 10 K and in particular at least 20 K, for example 10 to 100 K, in particular 20 to 80 K, above the respective gelatinization temperature, in particular the suspension is heated to temperatures in the region of 90 up to 150 ° C, and especially in the range of 100 to 140 ° C.
  • the water vapor used for heating is typically superheated steam having a temperature of at least 105 ° C, especially at least 110 ° C, e.g. B. 1 has 10 to 210 ° C.
  • the vapor is introduced with overpressure into the suspension.
  • the steam preferably has a pressure of at least 1.5 bar, e.g. B. 1, 5 to 16 bar, in particular 2 to 12 bar.
  • the introduction of water vapor into the suspension is generally carried out by introducing the vapor into the suspension at overpressure, preferably at an overpressure of 1 to 10 or 11 bar, in particular 1.5 to 5 bar, and preferably at high speed.
  • overpressure preferably at an overpressure of 1 to 10 or 11 bar, in particular 1.5 to 5 bar, and preferably at high speed.
  • the heating with steam is preferably carried out in a continuously operating device, into which the suspension is fed continuously with a specific delivery pressure, which results from the viscosity of the suspension, the conveying speed and the geometry of the device, and in which feed-in sens the suspension the hot steam with positive pressure, based on the delivery pressure, fed via a controllable nozzle.
  • a continuously operating device into which the suspension is fed continuously with a specific delivery pressure, which results from the viscosity of the suspension, the conveying speed and the geometry of the device, and in which feed-in sens the suspension the hot steam with positive pressure, based on the delivery pressure, fed via a controllable nozzle.
  • the vapor is introduced in the direction of the longitudinal axis of the tubular device.
  • the supply of the suspension is usually at an angle of at least 45 ° or perpendicular thereto.
  • the controllable nozzle typically has a conical geometry that tapers in the flow direction of the vapor.
  • a needle or arranged on a longitudinally displaceable rod cone is arranged. Needle or cone forms a gap with the cone of the nozzle.
  • these devices also include a mixing tube into which the suspension is transported after steaming and discharged from the device.
  • This mixing tube is usually arranged in the direction of the steam inlet and perpendicular to the feed.
  • the mixing tube typically forms a gap with the nozzle through which the suspension is transported. Through this gap additional shear forces act on the suspension during transport and thus increase the mechanical energy input into the suspension.
  • the mixing tube can be arranged to be displaceable in the longitudinal direction. By moving the mixing tube can be adjusted in a simple manner, the size of the gap opening and thus the pressure drop in the device.
  • Such devices are known under the name jet cookers from the prior art, for example, the device shown in "The Alcohol Textbook", Chapter 2, loc cit, Figure 13 and commercially available, for example under the name HYDROHEATER® Fa. Hydro Thermal Corp. Waukesha WI, USA.
  • the steam-treated suspension is usually subsequently transferred to a post-reaction zone in order to continue the gelling of the starch components.
  • a post-reaction zone In the post-reaction zone, there is typically overpressure, typically an absolute pressure in the range of 2 to 8 bar.
  • the temperatures in the post-reaction zone are typically in the range of 90 to 150 ° C.
  • the residence time in this post-reaction zone may be in the range from 1 minute to 4 hours, depending on the temperature of the suspension.
  • the post-reaction onszonen typically have a tubular or columnar geometry.
  • the post-reaction zone has the geometry of a vertically arranged column.
  • the suspension is here after leaving the device for steam treatment one applied in the upper part of the column and removed in the lower part.
  • the post-reaction zone has a tubular geometry.
  • the suspension After leaving the post-reaction zone, the suspension is usually relaxed and then performs a liquefaction.
  • the relaxation is carried out as flash evaporation in order to cool the suspension, preferably to temperatures below 100 ° C., in particular below 85 ° C.
  • a liquefaction of the starch thus digested takes place in a separate reaction vessel. The liquefaction can be carried out in the manner described above.
  • the liquefaction can be carried out in the usual way.
  • the liquefaction in step ii) takes place in the presence of at least one starch-liquefying enzyme, which is generally selected from ⁇ -amylases.
  • starch-liquefying enzyme which is generally selected from ⁇ -amylases.
  • Other active and stable starch-liquefying enzymes under the reaction conditions can also be used.
  • starch-liquefying enzymes in particular ⁇ -amylases (enzyme class EC 3.2.1.1) can be used to liquefy the starch content in the millbase, for example ⁇ -amylases obtained from Bacillus lichenformis or Bacillus stae rothermophilus and especially those which liquefy used by dry-milling processes in the production of bioethanol.
  • Preferred enzymes are temperature stable, d. H. they also do not lose their enzymatic activity when heated to temperatures above the gelatinization temperature.
  • the ⁇ -amylases suitable for liquefaction are also commercially available, for example from Novozymes under the name Termomyl 120 L, type L; or from Genencor under the name Spezyme. It is also possible to use a combination of different ⁇ -amylases for liquefaction.
  • the amounts of starch-liquefying enzyme are chosen so that rapid and complete degradation of the starch to oligosaccharides is achieved.
  • the total amount of starch-liquefying enzyme, in particular ⁇ -amylase is usually in the range from 0.002 to 3.0% by weight, preferably from 0.01 to 1.5% by weight and more preferably from 0.02 to 0, 5 wt .-%, based on the total amount of the starch source used.
  • the ⁇ -amylase (resp. the starch-liquefying enzyme used) can be introduced into the reaction vessel or added during the liquefaction step.
  • step ii) is preferably at least temporarily at a pH in the pH optimum of the liquefying enzyme, frequently at a pH in the weakly acidic range, preferably between 4.0 and 7.0, more preferably between 5.0 to 6.5, usually before or at the beginning of step ii) the pH adjustment is made;
  • This pH is preferably controlled during liquefaction and optionally adjusted.
  • the adjustment of the pH is preferably carried out with dilute mineral acids such as H 2 SO 4 or H 3 PO 4 or with dilute alkali solutions such as NaOH or KOH.
  • the concentration of Ca 2+ ions, z. B. with CaCl 2 to an enzyme-specific optimal value. Suitable concentration levels can be determined by one skilled in the art in routine experimentation. If z. As Termamyl used as ⁇ -amylase, it is advantageous to have a Ca 2+ concentration of z. B. 10 to 100 ppm, preferably 20 to 80 ppm and more preferably about 30 to 70 ppm in the liquid medium, wherein the indication ppm is by weight and g / 1000 kg means.
  • the reaction mixture is kept at the set temperature until the starch detection with iodine or optionally another test for the detection of starch negative or at least substantially negative.
  • At least a portion or the total amount, usually at least 50%, in particular at least 80%, of the total or total amount of starch-liquefying enzyme is added to the suspension of the millbase in the aqueous liquid prior to heating with steam , In this way, the liquefaction already takes place during heating to temperatures above the gelatinization temperature. The heating with water vapor and the post-reaction phase are carried out accordingly. A subsequent liquefaction in a separate reaction vessel can be omitted. Preferably, however, such liquefaction will be carried out to complete the degradation of the starch into dextrins.
  • an aqueous starch hydrolyzate which contains the liquefied starch portion from the millbase, typically dextrins and optionally further oligosaccharides and mono- or disaccharides, and the non-starchy constituents of the millbase, in particular the solid, non-starchy constituents of the liquefaction agent used Grind contains.
  • This hydrolyzate can be fed as an aqueous medium M directly to a fermentation to produce the organic compound. Often, however, one will still submit to saccharification.
  • the saccharification can be carried out analogously to the known saccharification methods of the prior art.
  • the saccharification can be carried out continuously or discontinuously.
  • the liquefied medium is this typically completely saccharified in a special saccharification tank before it z. B. is fed to a subsequent fermentation step.
  • the aqueous product obtained after liquefaction is treated with an enzyme causing the saccharification, typically a glucoamylase, under the conditions customary for this purpose.
  • glucoamylases enzyme class EC 3.2.1.3
  • glucoamylases which have been obtained from Aspergilus and especially those which are used for saccharification of materials obtained by dry-milling processes used in the production of bioethanol.
  • the glucoamylases suitable for saccharification are also commercially available, for example from Novozymes under the name Dextrozyme GA; or from Genencor under the name Optidex.
  • a combination of different glucoamylases can also be used.
  • the saccharifying enzyme is usually added to the dextrin-containing hydrolyzate obtained after liquefaction in an amount of 0.001 to 5.0% by weight, preferably 0.005 to 3.0% by weight, and more preferably 0.01 to 1.0% by weight. -%, based on the total amount of starch source used added.
  • the saccharification takes place at temperatures in the range of the temperature optimum of the saccharifying enzyme or slightly below, z. At 50 to 70 ° C, preferably at 60 to 65 ° C.
  • the aqueous liquefaction product will first be adjusted to these temperatures and then mixed with the enzyme which causes the saccharification.
  • the saccharifying enzyme e.g. As the glucoamylase, the pH of the aqueous hydrolyzate to a value in the optimal range of action of the enzyme used, preferably in the range between 3.5 and 6.0; more preferably between 4.0 and 5.5, and most preferably between 4.0 and 5.0.
  • the dextrin-containing suspension is preferably for a period of, for. B. 2 to 72 hours or longer, if necessary, in particular 5 to 48 hours kept at the set temperature, wherein the dextrins are saccharified to monosaccharides.
  • the progress of saccharification may be by methods known to those skilled in the art, e.g. As HPLC, enzyme assays or glucose test strips, are followed. Saccharification is complete when the concentration of monosaccharides no longer increases or decreases significantly.
  • the aqueous hydrolyzate obtained after liquefaction and optionally saccharification also comprises some or all of the non-starch-containing solid constituents of the starch source. This often requires the entry of a non-negligible proportion of phytate, z. B. from the grain crop.
  • phytases In order to avoid the resulting inhibiting effect, it is advantageous to add one or more phytases to the hydrolyzate before it is fed to a fermentation step.
  • the addition of the phytase can be done before, during or after liquefaction, provided that it has the required heat stability. It can be used any phytases, as far as their activity is limited under the reaction conditions in each case at most insignificant. Preference is given to phytases with a temperature stability (T50)> 50 ° C and particularly preferably> 60 ° C.
  • T50 temperature stability
  • the amount of phytase is usually 1 to 10,000 units / kg of starch source, and more preferably 10 to 4,000 units / kg of starch source.
  • enzymes for example pullulanases, cellulases, hemicellulases, glucanases, xylanases, glucosidases or proteases, may be added to the liquor or during the saccharification.
  • the addition of these enzymes can positively influence the viscosity, i. H. (eg by cleavage of long-chain (also referred to as longer-chain) glucans and / or of (arabino) xylans), the release of metabolizable glucosides and the release of (residual) starch cause.
  • the use of proteases has analogous positive effects, with additional amino acids as growth factors for the fermentation can be released.
  • the saccharification then takes place at least partly during the fermentation, ie in situ.
  • Further saccharification can then take place in situ in the fermentation medium.
  • the saccharification can furthermore be carried out directly in the fermenter with the elimination of a separate saccharification tank.
  • In situ saccharification may be carried out with the addition of saccharifying enzymes as described above, or in the absence of such enzymes, since many microorganisms themselves are capable of metabolizing oligosaccharides.
  • the dextrins are either taken up as such by the microorganism and metabolized or, after previous saccharification by strain-own saccharifying enzymes, eg. B. strain-specific glucoamylases, hydrolyzed and then metabolized.
  • strain-own saccharifying enzymes eg. B. strain-specific glucoamylases
  • a higher glucose concentration in the batch may optionally be presented by a delayed release of glucose, without any inhibition or metabolism change of the microorganisms used.
  • E. coli leads to a high glucose concentration z.
  • z For example, to form organic acids (acetate), while Saccharomyces cerevisae in this case z.
  • B. switches to fermentation, although in aerated fermenters sufficient oxygen is present (Crabtree effect).
  • a delayed release of glucose is adjustable by controlling the glucoamylase concentration. As a result, the aforementioned effects can be suppressed and it can be submitted to more substrate, so that the resulting from the supplied feed stream dilution can be reduced.
  • the aqueous hydrolyzate obtained after liquefaction and optionally carried out saccharification, ie the medium M typically has a dry matter content of at least 45 wt .-%, often at least 50 wt .-%, in particular at least 55 wt .-%, especially at least 60 wt. %, z. B. 45 to 80 wt .-%, preferably 50 to 75 wt .-%, in particular 55 to 70 wt .-% us specifically 60 to 70 wt .-% to.
  • the aqueous medium M obtained after hydrolysis generally has a sugar concentration, calculated as glucose equivalents of at least 35% by weight, frequently at least 40% by weight, in particular at least 45% by weight, especially at least 50% by weight. %, z. B. 35 to 70 wt .-%, in particular 40 to 65 wt .-%, in particular 45 to 60 wt .-% and especially 50 to 60 wt .-% to. based on the total weight of the medium M.
  • the glucose equivalents contained in the medium M obtained are present in the form of monosaccharides or oligosaccharides, in particular dextrins.
  • Main ingredient are typically monosaccharides such as hexoses and pentoses, z.
  • glucose fructose, mannose, galactose, sorbose, xylose, arabinose and ribose, in particular glucose or oligosaccharides of these monosaccharides.
  • the proportion of monosaccharides other than glucose in the free form or as constituents of the oligosaccharides in the medium M can vary depending on the starch source used and the non-starch-containing constituents contained therein and can be modified by the process, for example by digestion of cellulose components by addition of cellulases.
  • the proportion of glucose, in free or bound form, among the glucose equivalents of the medium M is in the range from 50 to 99% by weight, in particular from 75 to 97% by weight and especially from 80 to 95% by weight. %, based on the total amount of glucose equivalents.
  • the aqueous medium M obtained in step iii) is used according to the invention in step iv) for the fermentative preparation of the desired organic compound.
  • the medium M is fed to a fermentation, where it serves for culturing the microorganisms used in the fermentation.
  • the respective organic compound is obtained here as a volatile or nonvolatile microbial metabolite.
  • the dextrin-containing medium M to fermentation temperature usually in the range of 32 to 37 ° C, cool before feeding it to the fermentation.
  • the aqueous dextrin-containing medium M can optionally be sterilized before fermentation, wherein the microorganisms are usually killed by thermal or chemical methods.
  • the aqueous medium M is usually heated to temperatures above 80 ° C.
  • the killing or lysis of the cells can take place immediately before the fermentation.
  • the entire medium M of lysis or killing is supplied. This can, for. B. thermally or chemically.
  • a preferred embodiment of the invention relates to a process in which the medium M obtained in step iii) is fed directly, ie without prior sterilization, to the fermentation. Fermentation involves the metabolism of the sugars contained in the medium. If the sugars contained in the medium are in the form of oligosaccharides, especially in the form of dextrins, they are either taken up as such by the microorganism or after previous saccharification by added or strain-own saccharifying enzymes, in particular glucoamylases, and metabolised , If no saccharifying enzymes are added and the sugars contained in the medium are present in the form of oligosaccharides, especially dextrins, saccharification of the liquefied starch components takes place in parallel to the metabolization of the sugar, in particular the monosaccharide glucose, by the microorganisms.
  • the fermentation can be carried out in the usual manner known to the person skilled in the art.
  • the desired microorganism will usually be cultured in the liquid medium obtained by the method described here.
  • the fermentation process can be operated both batchwise and semicontinuously (fed-batch mode, including fed-batch with intermediate harvesting), with the semi-continuous mode being preferred.
  • the medium M obtained by the process of the invention or a conventional sugar source i. H. metabolizable mono-, di- and / or oligosaccharides or media containing metabolizable mono-, di- and / or oligosaccharides, optionally after dilution with water and addition of conventional media components such as buffers, nutrient salts, nitrogen sources such as ammonium sulfate, urea, etc., complex Nährmedienzierer containing amino acids, such as yeast extracts, peptones, CSL and the like, inoculate with the desired microorganism and multiply under fermentation conditions until the microorganism concentration reaches the steady state desired for the fermentation.
  • the sugar contained in the fermentation medium is metabolized and the desired metabolite is formed (so-called batch process or batch phase).
  • the medium M is added continuously or discontinuously to the fermentation medium.
  • a typical embodiment of the method according to the invention is the fed-batch mode, which comprises the following steps: v) cultivating the microorganism capable of overproducing the organic compound in an aqueous fermentation medium F; and
  • a conventional sugar-containing medium usually a glucose solution
  • a suitable sugar concentration by dilution with an aqueous liquid, in particular water, and the media components customary for fermentation, such as buffers, nutrient salts, nitrogen sources, such as ammonium sulfate, Urea, etc., complex nutrient media ingredients containing amino acids such as yeast extracts, peptones, CSL, and the like.
  • the ratio of amount of sugar to liquid will usually be selected preferably such that the total concentration of monosaccharides in the fermentation medium F less than 6 wt .-%, z. B.
  • the sugar-containing batch medium thus prepared is inoculated with the desired microorganism and the microorganism in the batch medium (fermentation medium F) is increased under fermentation conditions until the concentration of microorganisms reaches a desired stationary state for the fermentation.
  • the sugar introduced in the fermentation medium F is metabolized and the desired metabolite is formed.
  • the volume ratio of fed medium M to the present and containing the microorganisms batch medium is generally in the range of about 1:10 to 10: 1 and preferably about 1: 5 to 5: 1 and especially in the range of 1: 1 to 5: 1.
  • the sugar content in the fermentation broth can be regulated.
  • the feed rate will be adjusted such that the monosaccharide content in the fermentation broth is in the range from> 0% by weight to about 5% by weight, and in particular does not exceed a value of 3% by weight.
  • the fermentation medium F in step v) essentially comprises the medium M, the microorganisms capable of overproduction of the organic compound, nutrient salts, customary Excipients such as bases or buffers and optionally water for dilution.
  • the medium M is optionally diluted to the desired sugar concentration, z. B. in the range of 0.1 to 10 wt .-%, calculated as glucose equivalents and based on the total weight of the medium M, and this directly for preparing the fermentation medium F (batch medium) use.
  • the sugar content of the dextrin-containing medium used to maintain the fermentation according to step vi), is usually higher, z. B. in the o. G. Areas to minimize the dilution of the fermentation medium F.
  • an aqueous medium M with a higher sugar concentration, z. B. at least 40 wt .-%, especially at least 45 wt .-% and especially at least 50 wt .-%, calculated as glucose equivalents and based on the total weight of the aqueous medium M produces.
  • This medium M is then used on the one hand according to step v) after dilution with water to prepare the batch medium (fermentation medium F) and on the other hand according to step vi) for addition to the fermentation medium F.
  • the main amount preferably at least 60 wt .-%, in particular at least 70 wt .-% of the used in the fermentation to be metabolized sugar from the medium M.
  • a part e.g. B. 1 to 50 wt .-%, in particular 5 to 40 wt .-% and especially 10 to 30 wt .-% of the used in the fermentation to be metabolized sugar from conventional sugar sources.
  • the conventional sugar sources include mono- and disaccharides such as glucose and sucrose, but also media containing metabolizable mono-, di- and / or oligosaccharides in a concentration of at least 50% by weight and which are substantially free of water insoluble solids, for example glucose syrups, sucrose syrups, thick juices, maltose syrup, dextrin syrups, but also waste products of sugar production (molasses), in particular molasses from beet sugar production but also molasses from cane sugar production.
  • mono- and disaccharides such as glucose and sucrose, but also media containing metabolizable mono-, di- and / or oligosaccharides in a concentration of at least 50% by weight and which are substantially free of water insoluble solids, for example glucose syrups, sucrose syrups, thick juices, maltose syrup, dextrin syrups, but also waste products of sugar production (molasses), in particular molasses from beet sugar production but also molasses from
  • volatile and non-volatile, in particular non-volatile, microbial metabolites having at least 3 C atoms or having at least 2 C atoms and 1 N atom can be produced by fermentation.
  • Non-volatile products are understood as meaning those compounds which can not be obtained from the fermentation broth by distillation by distillation. These compounds generally have a boiling point above the boiling point of water, often above 150 ° C and especially above 200 ° C. Normal pressure on. They are usually compounds that are solid under normal conditions (298 K, 101, 3 kPa).
  • aqueous medium M in a fermentation for the production of nonvolatile microbial metabolites which have a melting point below the boiling point of water or / and an oily consistency at atmospheric pressure.
  • nonvolatile microbial metabolites herein includes, in particular, organic, optionally 1 or more, e.g. B. 1, 2, 3 or 4 hydroxyl-bearing mono-, di- and tricarboxylic acids having preferably 3 to 10 carbon atoms, for. Tartaric, itaconic, succinic, propionic, lactic, 3-hydroxypropionic, fumaric, maleic, 2,5-furandicarboxylic, glutaric, levulinic, gluconic, aconitic and diaminopimelic acids, citric acid; proteinogenic and non-proteinogenic amino acids, e.g.
  • Lysine glutamate, methionine, phenylalanine, aspartic acid, tryptophan and threonine; Purine and pyrimidine bases; Nucleosides and nucleotides, e.g. Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) and adenosine 5'-monophosphate (AMP); lipids; saturated and unsaturated fatty acids having preferably 10 to 22 carbon atoms, e.g.
  • propanediol and butanediol polyhydric (also referred to as higher) alcohols with 3 or more, eg. B. 3, 4, 5 or 6 OH groups, for.
  • Enzymes such as amylases, pectinases, acidic, hybrid or neutral cells, esterases such as lipases, pancreases, proteases, xylanases and oxidoreductases such as laccase, catalase and peroxidase, glucanases, phytases; Carotenoids, z. Lycopin, beta-carotene, astaxanthin, zeaxanthin and canthaxanthin; Ketones having preferably 3 to 10 carbon atoms and optionally 1 or more hydroxyl groups, for. Acetone and acetoin; Lactones, e.g.
  • Gamma-butyrolactone, cyclodextrins, biopolymers e.g. B. polyhydroxyacetate, polyester, z. Polylactide, polysaccharides, polyisoprenoids, polyamides; as well as precursors and derivatives of the aforementioned compounds.
  • Other compounds of interest as nonvolatile microbial metabolites are described by Gutcho in Chemicals by Fermentation, Noyes Data Corporation (1973), ISBN: 0818805086.
  • cofactor includes non-proteinaceous compounds that are necessary for the occurrence of normal enzyme activity. These compounds can be organic or be inorganic; the cofactor molecules of the invention are preferably organic. Examples of such molecules are NAD and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP); The precursor of these cofactors is niacin.
  • the term "nutraceutical” includes food additives that are beneficial to the health of plants and animals, especially humans. Examples of such molecules are vitamins, antioxidants and certain lipids, e.g. B. polyunsaturated fatty acids.
  • the metabolites produced under enzymes amino acids, vitamins, disaccharides, aliphatic mono- and dicarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms, aliphatic hydroxycarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms, ketones having 3 to 10 carbon atoms, alkanols having 4 to 10 C atoms and alkanediols having 3 to 10 and in particular 3 to 8 carbon atoms selected.
  • microorganisms used in the fermentation depend in a manner known per se on the respective microbial metabolites, as explained in detail below. They may be of natural origin or genetically modified. Examples of suitable microorganisms and fermentation processes are, for. In table A, for example.
  • the organic compound prepared is optionally mono-, di- and tricarboxylic acids bearing 3 to 10 carbon atoms, proteinogenic and non-proteinogenic amino acids, purine bases, pyrimidine bases; Nucleosides, nucleotides, lipids; saturated and unsaturated fatty acids; Diols having 4 to 10 C atoms, polyhydric alcohols having 3 or more hydroxyl groups, longer-chain alcohols having at least 4 C atoms, carbohydrates, aromatic compounds, vitamins, provitamins, cofactors, nutraceuticals, proteins, carotenoids, ketones of 3 to 10 C atoms, lactones, biopolymers and cyclodextrins selected.
  • a first preferred embodiment of the invention relates to the use of the sugar-containing liquid medium obtainable according to the invention in a fermentative production of enzymes such as phytases, xylanases or glucanases.
  • a second preferred embodiment of the invention relates to the use of the sugar-containing liquid medium obtainable according to the invention in a fermentative production of amino acids such as lysine, methionine, threonine and glutamate
  • a further preferred embodiment of the invention relates to the use of the sugar-containing liquid medium obtainable according to the invention in a fermentative preparation of vitamins such as pantothenic acid and riboflavin, precursors and secondary products thereof.
  • Mono-, di- and tricarboxylic acids in particular aliphatic mono- and dicarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms such as propionic acid, fumaric acid and succinic acid, aliphatic hydroxycarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms such as lactic acid; longer-chain alkanols as mentioned above, in particular alkanols having 4 to 10 C atoms, such as butanol;
  • Diols as mentioned above, in particular alkanediols having 3 to 10 and in particular 3 to 8 C atoms, such as propanediol;
  • Ketones as mentioned above in particular ketones having 3 to 10 carbon atoms, such as acetone; and - carbohydrates as mentioned above, in particular disaccharides such as trehalose.
  • the metabolic product produced in the fermentation by the microorganisms is polyhydroxyalkanoates such as poly-3-hydroxybutyrate and copolyester with other organic hydroxycarboxylic acids such as 3-hydroxyvaleric acid, 4-hydroxybutyric acid and others which are described in US Pat Steinbüchel (loc. Cit.) Are described, for.
  • long-chain (also referred to as longer-chain) hydroxycarboxylic acids such as 3-hydroxyoctanoic acid, 3-hydroxydecanoic acid and 3-hydroxytetradecanoic acid, and mixtures thereof.
  • analogous conditions and procedures can be used here, as have been described for other carbon sources, eg. See, for example, S. Y. Lee, Plastic Bacteria Progress and Prospects for Polyhydroxyalkanoate Production in Bacteria, Tibtech, Vol. 14, (1996), pp. 431-438.
  • the microorganisms used in the fermentation are therefore selected from natural or recombinant microorganisms which overproduce at least one of the following metabolic products:
  • Enzymes such as phytase, xylanase or glucanase; Amino acids such as lysine, threonine or methionine; - vitamins such as pantothenic acid and riboflavin; Precursors and / or derivatives thereof; Disaccharides such as trehalose; aliphatic mono- and dicarboxylic acids having 3 to 10 C atoms, such as propionic acid, fumaric acid and succinic acid; aliphatic hydroxycarboxylic acids having 3 to 10 C atoms such as lactic acid; Polyhydroxyalkanoates such as poly-3-hydroxybutyrate and copolyester of
  • C atoms such as propanediol.
  • Suitable microorganisms are usually selected from the genera Corynebacterium, Bacillus, Ashbya, Escherichia, Aspergillus, Alcaligenes, Actinobacillus, Anaerobiospirillum, Lactobacillus, Propionibacterium, Rhizopus and Clostridium, in particular from strains of Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, Ashbya gossypii, Escherichia coli, Aspergillus niger or Alcaligenes latus, Anaerobiospirillum succiniproducens, Actinobacillus succinogenes, Lactobacillus delbschreibii, Lactobacillus leichmannii, Propionibacterium arabinosum, Propionibacterium schermanii, Propionibacterium freudenreichii, Clostridium propionicum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium acetobutylicum
  • the microorganism used in the fermentation is a strain of the genus Corynebacterium, in particular a strain of Corynebacterium glutamicum.
  • it is a strain of the genus Corynebacterium, especially of the Corynebacterium glutamicum, which overproduces an amino acid, especially lysine, methionine or glutamate.
  • the microorganism used in the fermentation is a strain of the genus Escherichia, in particular a strain of Escherichia coli.
  • it is a strain of the genus Escherichia, especially of Escherichia coli, which overproduces an amino acid, especially lysine, methionine or threonine.
  • the metabolite produced by the microorganisms in the fermentation is lysine.
  • analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In Pfefferle et al., Supra, and U.S. 3,708,395.
  • the fed-batch mode of operation preferred is the fed-batch mode of operation.
  • the metabolic product produced by the microorganisms in the fermentation is methionine.
  • analogous conditions and procedures as described for other carbon sources can be used here, eg. In WO 03/087386 and WO 03/100072.
  • the metabolic product produced by the microorganisms in the fermentation is tartaric acid.
  • analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In WO 01/021772.
  • the metabolite produced by the microorganisms in the fermentation is riboflavin.
  • riboflavin To carry out the fermentation analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In WO 01/011052, DE 19840709, WO 98/29539, EP 1186664 and Fujioka, K .: New biotechnology for riboflavin (vitamin B2) and character of this riboflavin. Fragrance Journal (2003), 31 (3), 44-48.
  • the metabolic product produced by the microorganisms in the fermentation is fumaric acid.
  • analogous conditions and procedures as described for other carbon sources can be used here, eg. In Rhodes et al., Production of Fumaric Acid in 20-L Fermentors, Applied Microbiology, 1962, 10 (1), 9-15.
  • the metabolite produced by the microorganisms in the fermentation is succinic acid.
  • succinic acid a compound that produces succinic acid.
  • the metabolic product produced by the microorganisms in the fermentation is a phytase.
  • the metabolic product produced by the microorganisms in the fermentation is a phytase.
  • the fermentation results in a fermentation broth, in addition to the desired microbial metabolite essentially the biomass produced during the fermentation, the non-metabolised components of the liquefied starch solution and in particular the non-starchy solid components of the starch source, such as.
  • This liquid medium is also referred to in the present application as a fermentation broth, wherein the fermentation broth also comprises the added dextrin-containing medium (1), in which a partially or incomplete fermentative conversion of the sugars contained therein, d. H. partial or incomplete microbial metabolism of the usable sugars (eg mono- and disaccharides) has taken place.
  • a sterilization step is optionally carried out in the manner described above.
  • a specific embodiment (I) of the invention relates to a process in which at least one microbial metabolite is depleted or isolated from the fermentation broth. The volatiles of the fermentation broth are then substantially removed to yield a solid or semi-solid protein composition. A more detailed description of how to carry out such a process and the resulting protein composition is the subject of
  • the organic compound having at least 3 C atoms or at least 2 C atoms and at least one N-atom (hereinafter also desired product) is generally carried out in such a way that at least one metabolic product depleted or isolated from the fermentation broth that the content this metabolic product in the remaining fermentation broth at most 20 wt .-%, in particular at most 10 wt .-%, especially at most 5 wt .-% and especially at most 2.5 wt .-%, each based on the total weight of the remaining fermentation broth is ,
  • the isolation or depletion of the microbial metabolite from the fermentation broth can be done in one or more steps.
  • An essential step here is the separation of the solid constituents from the fermentation broth. This can be carried out either before or after the isolation of the desired product.
  • solid-liquid phase separation conventional methods are known in the art, which also include steps for coarse and fine cleaning of recyclable materials and for packaging (eg described in Belter , P.A., Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology, John Wiley & Sons (1988), and Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition on CD-ROM, Wiley-VCH).
  • the product of value it is advantageously possible to proceed by first removing the solid constituents from the fermentation broth, e.g. B. by centrifugation or filtration, and then isolated the desired product from the liquid phase, for. Example by crystallization, precipitation, adsorption or distillation.
  • the desired product can also be isolated directly from the fermentation broth, z.
  • a chromatographic method in particular ion exchange chromatography should be mentioned, in which the desired product can be selectively isolated on the chromatography column.
  • the separation of the solids from the remaining fermentation broth is advantageously carried out z. B. by decantation, evaporation and / or drying.
  • these compounds can also be prepared by formulating them in quasi-solid form (pseudo-solid form) on adsorbents. Suitable adsorbents for this purpose are, for. In WO 2005/116228
  • Examples of compounds which can be advantageously prepared in this way are ⁇ -linolenic acid, dihomo- ⁇ -linolenic acid, arachidonic acid, eicosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid, furthermore propionic acid, lactic acid, propanediol, butanol and acetone.
  • these compounds in pseudo-free formulation are also understood to be nonvolatile microbial metabolites in solid form.
  • a further specific embodiment (II) relates to a process in which the volatile constituents of the fermentation broth are substantially removed without prior isolation or removal of a nonvolatile microbial metabolite, and optionally without prior separation of solid constituents, resulting in a solid formulation of a nonvolatile microbial Metabolism product receives.
  • a more detailed description of the implementation of such a method can be found in the PCT / EP2006 / 066057 (earlier patent application DE 10 2005 042 541.0) of the applicant.
  • the volatile constituents of the fermentation broth are advantageously up to a residual moisture content in the range of 0.2 to 30 wt .-%, preferably 1 to 20 wt .-%, particularly preferably 2 to 15 wt .-% and most preferably 5 to 15 wt .-%, based on the determined after drying total weight of the solid components, remove from the fermentation broth.
  • the residual moisture content can be determined by conventional methods known in the art, for. Example by means of thermogravimetry (Hemminger et al., Methods of thermal analysis, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1989).
  • Recovery of the nonvolatile metabolite (s) in solid form from the fermentation broth may be accomplished in one, two or more stages, especially in a one or two step procedure.
  • at least one, in particular the final stage for obtaining the metabolite in solid form will comprise a drying step.
  • the volatile constituents of the fermentation broth if appropriate after the aforesaid preliminary separation, are removed until the desired residual moisture content has been reached.
  • the fermentation broth In the two- or multi-step procedure, the fermentation broth, first concentrate, z. Example by means of (micro-, ultra-) filtration or thermally by evaporation of a portion of the volatiles.
  • the proportion of volatile constituents removed in this step is generally from 10 to 80% by weight and in particular from 20 to 70% by weight, based on the total weight of the volatile constituents of the fermentation broth.
  • the residual volatiles of the fermentation broth are removed until the desired residual moisture content is achieved.
  • the removal of the volatile constituents of the liquid medium takes place according to this embodiment (II) essentially without a prior depletion or even isolation of the desired product.
  • the non-volatile metabolic product is substantially not removed along with the volatiles of the liquid medium, but remains with at least a portion, usually the majority and, in particular, the total of other solid components from the fermentation broth in the residue thus obtained.
  • small amounts of the desired nonvolatile microbial metabolite usually a maximum of 20 wt .-%, z. B.
  • the desired non-volatile microbial metabolite remains at least 90% by weight, in particular at least 95% by weight, especially 99% by weight and especially about 100% by weight, based in each case on the Total dry weight of the metabolic product, as a solid in admixture with the part obtained after removal of the volatiles or the whole of the solid components of the fermentation medium.
  • the non-starchy solid constituents are separated from the fermentation broth, z. B. by centrifugation or filtration.
  • such pre-separation will be performed to remove coarser solid particles containing no or low levels of nonvolatile microbial metabolite.
  • conventional methods eg. B. using coarse mesh screens, nets, perforated plates, or the like.
  • a separation of coarse solid particles can also take place in a centrifugal separator.
  • the properties of the dried metabolite present together with the solid components of the fermentation can be targeted with respect to various parameters such as active ingredient content, particle size, particle shape, tendency to dust, hygroscopicity, stability, in particular bearings Stability, color, odor, flow behavior, tendency to agglomerate, electrostatic charging, light and temperature sensitivity, mechanical stability and redispersibility are packaged in a manner known per se.
  • formulation auxiliaries such as carrier and coating materials, binders and other additives
  • formulation auxiliaries include, for. As binders, support materials, powdering / flow aids, also color pigments, biocides, dispersants, antifoams, viscosity regulators, acids, alkalis, antioxidants dants, enzyme stabilizers, enzyme inhibitors, adsorbates, fats, fatty acids, oils or mixtures thereof.
  • Such formulation auxiliaries are advantageously used in particular when using formulation and drying processes such as spray drying, fluid bed drying and freeze drying as drying aids.
  • formulation and drying processes such as spray drying, fluid bed drying and freeze drying as drying aids.
  • the proportion of the aforementioned additives and optionally other additives such as coating materials can vary greatly depending on the specific requirements of the respective metabolite and depending on the properties of the additives used and z. B. in the range of 0.1 to 80 wt .-% and in particular in the range of 1 to 30 wt .-%, each based on the total weight of the finished formulated product or mixture.
  • formulation auxiliaries may take place before, during or after the work-up of the fermentation broth (also referred to as product formulation or solid design) and in particular during the drying.
  • An addition of formulation auxiliaries prior to working up the fermentation broth or the metabolic product may be particularly advantageous in order to improve the processability of the substances or products to be processed.
  • the formulation auxiliaries may be added both to the metabolic product obtained in solid form and to a solution or suspension containing it, e.g. B. after completion of fermentation directly to the fermentation broth or to a solution or suspension obtained in the course of the work-up before the final drying step.
  • the adjuvants z. B. are mixed in a suspension of the microbial metabolite; Such a suspension can also be added to a carrier material, for. B. by spraying or mixing.
  • a carrier material for. B. by spraying or mixing.
  • formulation auxiliaries during drying can, for. B. play a role when a metabolic product containing solution or suspension is sprayed.
  • addition of formulation auxiliaries z. B. when applying coatings or coatings / coating layers on dried particles. Both after drying and after a possible coating step further aids can be added to the product.
  • the removal of the volatiles from the fermentation broth is carried out in a manner known per se by conventional methods for the separation of solid phases from liquid phases, including filtration processes and processes for volatilization of volatile constituents of the liquid phases. Such methods, which may also include steps for the coarse cleaning of recyclables and steps for packaging, be z.
  • filtration processes and processes for volatilization of volatile constituents of the liquid phases Such methods, which may also include steps for the coarse cleaning of recyclables and steps for packaging, be z.
  • the non-volatile microbial metabolite if it is present dissolved in the liquid phase, is converted from the liquid phase to the solid phase, eg. B. by crystallization or precipitation. Subsequently, a separation of the non-volatile solid components including the metabolite, z. B. by centrifugation, decantation or filtration. Similarly, one can also separate oily metabolites, wherein the respective oily fermentation products by the addition of adsorbents, eg. As silica, silica gels, clay, clay and activated carbon, converted into a solid form.
  • adsorbents eg. As silica, silica gels, clay, clay and activated carbon
  • the volatile constituents are removed by evaporation.
  • the evaporation can be done in a conventional manner.
  • suitable methods for volatilization of volatile components are spray drying, fluidized bed drying or agglomeration, freeze drying, current and contact dryers and extrusion drying.
  • a combination of the aforementioned methods with molding methods such as extrusion, pelletizing or prilling can be made. In these latter methods, preferably partially or substantially predried metabolic product-containing mixtures are used.
  • the devolatilization of the fermentation broth comprises a spray drying process or a fluidized bed drying process, including fluid bed granulation.
  • the fermentation broth optionally after a preliminary separation to remove coarse solid particles containing no or only small amounts of nonvolatile microbial metabolite, fed to one or more spray or fluidized bed drying apparatus.
  • the transport or the supply of solids-loaded fermentation broth is advantageously carried out by means of conventional transport devices for solids-containing liquids, eg. As pumps such as eccentric screw pumps (eg., The Fa. Delasco PCM) or high-pressure pumps (eg., The company LEWA Herbert Ott GmbH). Carrying out a fermentation using the sugar-containing liquid medium according to the invention can also be carried out in such a way that
  • the solids content of the remaining portion of the medium M is preferably not more than 50% by weight, in particular not more than 30% by weight, more preferably not more than 10% by weight and very particularly preferably at most 5% by weight. In particular, in this case, it is preferable to separate all the solids before fermentation to produce the second metabolite (B).
  • the compounds produced by such microorganisms in the separate fermentation are in particular among vitamins, cofactors and nutraceuticals, purine and pyrimidine bases, nucleosides and nucleotides, lipids, saturated and unsaturated fatty acids, aromatic compounds, proteins, carotenoids, especially with vitamins, Cofactors and nutraceuticals, proteins and carotenoids, and especially selected from riboflavin and calcium pantothenate.
  • a preferred embodiment of this procedure relates to the parallel production of the same metabolites (A) and (B) in two separate fermentations. This is particularly advantageous if different purity requirements are to be set for different applications of the same metabolic product.
  • the first metabolite (A), z. As a feed additive to be used amino acid, for. As lysine, methionine, threonine or glutamate, using the solids-containing fermentation broth and the same second metabolite (B), z.
  • the same amino acid to be used as a food additive Noklare prepared using the according to viii) solids depleted fermentation broth.
  • z. B. proceed as follows. It implements a preferably large-volume fermentation for the production of metabolites A, z.
  • amino acids such as lysine, methionine, glutamate or threonine, citric acid or ethanol, eg. B. according to the methods described in WO 2005/116228 (PCT / EP2005 / 005728) or PCT / EP2006 / 066057 (earlier application DE 10 2005 042 541.0) or according to the methods known for the fermentative production of bioethanol.
  • part of the medium M obtained after step iii) is removed.
  • the part removed according to vii) can be prepared according to viii) by conventional methods, e.g. As centrifugation or filtration, completely or partially freed from the solids, depending on the requirements of the fermentation for the production of B.
  • the thus obtained, optionally completely or partially freed from the solids medium M is according to viii) a fermentation for the production of a Met Touchpro - Duct B fed.
  • a stream of solids separated off according to viii) is advantageously returned to the stream of medium M of the large-volume fermentation.
  • the medium M produced after step iii) has concentrations of mono-, di- or oligosaccharides, as in the fermentative ethanol production (bioethanol) are common, for. B. in the range of 25 to 33 wt .-%.
  • the carrying out of a separation of solids according to step viii) also depends here on the requirements of the fermentation for the production of the respective metabolite B.
  • the metabolite B produced by the microorganisms in the fermentation is riboflavin.
  • analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In WO 01/011052, DE 19840709, WO 98/29539, EP 1186664 and Fujioka, K .: New biotechnology for riboflavin (vitamin B2) and character of this riboflavin. Fragrance Journal (2003), 31 (3), 44-48.
  • a preferably large-volume fermentation is implemented for the production of metabolic products A, z.
  • amino acids such as lysine, methionine, glutamate or, of citric acid or of etha- nol, as described above.
  • a part of the medium M obtained after step iii) is removed and according to viii) by conventional methods, for.
  • the medium M obtained therefrom, which is essentially completely or partially freed from the solids is fed to a fermentation according to viii) for the production of the metabolite B, in this case riboflavin.
  • the solid stream separated according to viii) is advantageously returned to the stream of medium M of the large-volume fermentation.
  • the riboflavin-containing fermentation broth produced in this manner according to viii) can be worked up by analogous conditions and procedures as have been described for other carbon sources, e.g. In DE 4037441, EP 464582, EP 438767 and DE 3819745.
  • the separation of the crystalline present riboflavin is preferably carried out by decantation. Other types of solids separation, e.g. As filtration, are also possible.
  • the riboflavin is dried, preferably by means of spray and fluidized bed dryers.
  • the riboflavin-containing fermentation mixture produced in accordance with viii) can be worked up according to analogous conditions and procedures, such as, for.
  • the fermentation broth is centrifuged here and the residual solids-containing fraction is treated with a mineral acid.
  • the riboflavin formed is filtered from the aqueous-acidic medium, optionally washed and then dried.
  • the metabolic product B produced by the microorganisms in the fermentation is pantothenic acid.
  • analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In WO 01/021772.
  • the medium M pre-purified according to vii), preferably substantially freed from the solids, is fed to a fermentation according to viii) for the production of pantothenic acid.
  • the reduced viscosity compared to the solid-containing liquid medium is particularly advantageous.
  • the separated solids stream is preferably returned to the stream of the sugar-containing liquid medium of the large-volume fermentation.
  • pantothenic acid-containing fermentation broth prepared according to viii) can be worked up by analogous conditions and procedures as described for other carbon sources, e.g. In EP 1050219 and WO 01/83799. After pasteurizing the entire fermentation broth, the remaining solids z. B. separated by centrifugation or filtration. The clear-running of the festival Material separation is partially evaporated, optionally mixed with calcium chloride and dried, in particular spray-dried.
  • the separated solids can be obtained in the context of the parallel-operated, large-volume fermentation process together with the respective desired microbial metabolite (A).
  • whole or ground cereal grains preferably corn, wheat, barley, millet, triticale and / or rye may be added to the product formulation or protein composition.
  • the millables used in the following were produced as follows. Whole corn kernels were completely ground using a rotor mill. Using different Schlägerwerke, grinding tracks or sieve installations three different subtleties were achieved. A sieve analysis of the material to be ground using a laboratory vibrating sieve (vibratory analysis machine: Retsch Vibrotronic type VE1, sieving time 5 min, amplitude: 1.5 mm) gave the results listed in Table I.
  • the pH is adjusted in a range between 5.6 and 5.8.
  • the maize meal suspension is intensively mixed by stirring until use in the jet cooker. This suspension is then fed to the jet cooker at 250 kg / h at a pressure of 5 bar.
  • the heating of the maize meal suspension beyond the gelatinization temperature to 105 ° C. is effected by parallel feeding of 25 kg / h of steam (7.5 bar).
  • part of the gelatinized starch is degraded to dextrins (first liquefaction).
  • the temperature of the reaction mixture is reduced by flashing to 90 ° C, with about 5 kg / h of steam go off.
  • the second liquefaction is then carried out in a further tubular reactor over a period of 100 min to completely decompose the starch to dextrins.
  • the resulting reaction mixture is then cooled to the saccharification temperature of 61 ° C. by reflashing under a water loss of about 14 kg / h.
  • Part of the reaction mixture obtained from 11.1) was saccharified in a random test. For this purpose, about 1000 g of the reaction mixture were transferred to a stirred tank and kept at 61 ° C. with constant stirring. Stirring was continued throughout the experiment. After adjusting the pH to 4.3 with H 2 SO 4 , 17.9 g (15.2 ml) of Dextrozyme GA (Novozymes A / S) was added. The temperature was maintained for about 3 hours, with the progress of the reaction monitored by HPLC. At the end, the glucose concentration was 420 g / kg.
  • a modified strain of Corynebacterium glutamicum was used, which was described under the name ATCC13032 lysC fbr in WO 05/059144.
  • example 1 Liquefied and saccharified corn flour hydrolyzate prepared according to protocol Il was used in shake flask experiments using Corynebacterium glutamicum.
  • the composition of the flask medium is shown in Table 2. The experiment was carried out in triplicate.
  • the flasks were incubated at 30 ° C for 48 hours and agitated (200 rpm) in a humidified shaker cabinet.
  • the content of glucose and lysine was determined by HPLC.
  • HPLC analyzes were performed on Agilent 1100 Series LC equipment.
  • the amino acid concentration was determined by high pressure liquid chromatography on an Agilent 1100 Series LC System HPLC. A pre-column derivatization with orthophthalaldehyde allows the quantification of the amino acids formed, the separation of the amino acid mixture takes place on a Hypersil AA column (Agilent).
  • the composition of the flask medium is shown in Table 4. From each sample, two flasks were set up.
  • the flasks were incubated at 34 ° C for 6 days and agitated (170 rpm) in a humidified shaker cabinet. After termination of the fermentation, the phytase activity with phytic acid as substrate and at a suitable phytase activity level (standard: 0.6 U / ml) in 250 mM acetic acid / sodium acetate / Tween 20 (0.1% by weight), pH 5, 5 buffers determined.
  • the assay has been standardized for use in microtiter plates (MTP).

Abstract

The invention relates to a method for producing at least one organic compound comprising at least 3 C-atoms or at least 2 C-atoms and at least 1 N-atom by fermentation. Said method comprises the following steps: i) a starch source is ground in order to obtain a grinding material which contains at least one part of the non-starch containing solid components of the starch source; ii) the grinding material is suspended in an aqueous liquid in an amount such that the dry mass content in the suspension is at least 45 wt. %, iii) the starch component is hydrolysed in the grinding material by liquefying and optionally, subsequently, sweetening, in order to obtain an aqueous medium M, which contains the hydrolysed starch components and at least one part of the non-starch containing solid components of the starch source, is obtained; and iv) the aqueous substance M obtained in step iii) is used for fermentation in order to cultivate a micro-organism which is capable of over-producing the organic compound; the suspension obtained in step ii) is heated in step iii) by introducing vapour into the suspension, in order to obtain temperatures greater than the pasting temperature of the starch obtained in the grinding materials.

Description

Fermentative Herstellung organischer VerbindungenFermentative production of organic compounds
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft die fermentative Herstellung organischer Verbindungen mit mindestens 3 C-Atomen oder mit mindestens 2 C-Atomen und mindestens 1 N-Atom unter Einsatz eines zuckerhaltigen Mediums, das zumindest einen Teil der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle umfasst, zur Kultivierung der Mikroorganismen.The present invention relates to the fermentative preparation of organic compounds having at least 3 C atoms or having at least 2 C atoms and at least 1 N atom using a sugar-containing medium which comprises at least a portion of the non-starchy solid components of the starch source for culturing of microorganisms.
Zuckerhaltige Flüssigmedien sind eine grundlegende Nährstoffquelle für viele Fermentationsverfahren; die in den Medien enthaltenen Zuckeranteile werden von den eingesetzten Mikroorganismen verstoffwechselt, wobei man organische Wertprodukte erhält. Die Palette derart hergestellter mikrobieller Stoffwechselprodukte, d. h. organischer Verbindungen, umfasst hierbei z. B. niedermolekulare flüchtige Verbindungen wie E- thanol, nichtflüchtige Stoffwechselprodukte wie Aminosäuren, Vitamine und Carotenoi- de sowie eine Vielzahl weiterer Stoffe.Sugar-containing liquid media are a basic nutrient source for many fermentation processes; the sugars contained in the media are metabolized by the microorganisms used to obtain organic products of value. The range of microbial metabolites produced in this way, d. H. organic compounds, this includes z. B. low molecular weight volatile compounds such as ethanol, non-volatile metabolites such as amino acids, vitamins and carotenoids and a variety of other substances.
Für solche allgemein bekannten mikrobiellen Fermentationsverfahren werden in Ab- hängigkeit von den verschiedenen Verfahrensbedingungen unterschiedliche Kohlenstoffquellen genutzt. Diese reichen von reiner Saccharose über Rüben- und Zuckerrohrmelasse, so genannten „high test molasses" (invertierte Zuckerrohrmelasse) bis hin zu Glucose aus Stärkehydrolysaten. Für die biotechnologische Herstellung von L-Lysin werden darüber hinaus Essigsäure und Ethanol als großtechnisch einsetzbare Co-Substrate genannt (Pfefferle et al., Biotechnogical Manufacture of Lysine, Advan- ces in Biochemical Engineering/Biotechnology, Vol. 79 (2003), 59-1 12).For such generally known microbial fermentation processes, different carbon sources are used, depending on the different process conditions. These range from pure sucrose via beet and cane molasses, so-called "high test molasses", to glucose from starch hydrolysates, and for the biotechnological production of L-lysine, acetic acid and ethanol are also cited as large-scale co-substrates (Pfefferle et al., Biotechnogical Manufacture of Lysines, Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology, Vol. 79 (2003), 59-1 12).
Auf Basis der genannten Kohlenstoffquellen sind verschiedene Methoden und Vorgehensweisen zur zuckerbasierten, fermentativen Herstellung mikrobieller Stoffwechsel- produkte etabliert. Am Beispiel des L-Lysins werden diese beispielsweise von Pfefferle et al. (a.a.O.) im Hinblick auf Stammentwicklung, Prozessentwicklung und großtechnische Produktion beschrieben.Based on the carbon sources mentioned, various methods and procedures for the sugar-based, fermentative production of microbial metabolites are established. Using the example of L-lysine, these are described, for example, by Pfefferle et al. (supra) with regard to strain development, process development and large-scale production.
Eine wichtige Kohlenstoffquelle für die durch Mikroorganismen vermittelte fermentative Herstellung mikrobieller Stoffwechselprodukte ist Stärke. Diese muss in vorgelagerten Reaktionsschritten zunächst verflüssigt und verzuckert werden, bevor sie als Kohlenstoffquelle in einer Fermentation genutzt werden kann. Hierzu wird die Stärke aus einer natürlichen Stärkequelle wie Kartoffeln, Cassava, Getreide, z. B. Weizen, Mais, Gerste, Roggen, Triticale oder Reis üblicherweise in vorgereinigter Form gewonnen und an- schließend enzymatisch verflüssigt und verzuckert, um dann in der eigentlichen Fer- mentation zur Produktion der gewünschten Stoffwechselprodukte eingesetzt zu werden.An important source of carbon for the microorganism-mediated fermentative production of microbial metabolites is starch. This must first be liquefied and saccharified in upstream reaction steps before it can be used as a carbon source in a fermentation. For this purpose, the starch from a natural source of starch such as potatoes, cassava, cereals, z. As wheat, corn, barley, rye, triticale or rice usually obtained in pre-purified form and then enzymatically liquefied and saccharified, and then in the actual Fer- mentation for the production of the desired metabolic products.
Neben dem Einsatz derartig vorgereinigter Stärkequellen ist auch die Verwendung nicht aufgereinigter Stärkequellen zur Herstellung von Kohlenstoffquellen für die fer- mentative Produktion mikrobieller Stoffwechselprodukte beschrieben worden. Typischerweise werden die Stärkequellen dabei zunächst durch Mahlen zerkleinert. Das Mahlgut wird dann einer Verflüssigung und Verzuckerung unterworfen. Da dieses Mahlgut naturgemäß neben Stärke noch eine Reihe von nicht-stärkehaltigen Bestand- teilen enthält, welche die Fermentation nachteilig beeinflussen können, werden diese Bestandteile üblicherweise vor der Fermentation abgetrennt. Die Entfernung kann entweder direkt nach dem Mahlen (WO 02/077252; JP 2001-072701 ; JP 56-169594; CN 12181 11 ), nach der Verflüssigung (WO 02/077252; CN 1 173541 ) oder im An- schluss an die Verzuckerung (CN 1266102; Beukema et al.: Production of fermentation syrups by enzymatic hydrolysis of potatoes; potatoe saccharification to give culture medium (Conference Abstract), Symp. Biotechnol. Res. Neth. (1983), 6; NL8302229) erfolgen. In allen Varianten wird jedoch ein weitgehend reines Stärkehydrolysat in der Fermentation eingesetzt.In addition to the use of such pre-purified starch sources, the use of non-purified starch sources for the production of carbon sources for the fermentative production of microbial metabolites has also been described. Typically, the starch sources are first crushed by grinding. The millbase is then subjected to liquefaction and saccharification. Since, in addition to starch, this millbase naturally also contains a number of non-starch-containing constituents which can adversely influence the fermentation, these constituents are usually separated off before the fermentation. The removal can be carried out either directly after grinding (WO 02/077252, JP 2001-072701, JP 56-169594, CN 12181 11), after liquefaction (WO 02/077252, CN 1 173541) or following the saccharification (CN 1266102; Beukema et al .: Production of fermentation syrups by enzymatic hydrolysis of potatoes; potatoe saccharification to give culture medium (Conference Abstract), Symp. Biotechnol. Res Neth., (1983) 6, NL8302229). In all variants, however, a largely pure starch hydrolyzate is used in the fermentation.
Neuere Verfahren zur fermentativen Herstellung von organischen Verbindungen umfassen insbesondere eine Aufreinigung der Stärkequellen vor der Fermentation z. B. die Aufreinigung von verflüssigten und verzuckerten Stärkelösungen (JP 57159500), oder stellen Methoden bereit, welche die Herstellung von Fermentationsmedien aus erneuerbaren Ressourcen (EP 1205557) ermöglichen sollen.More recent processes for the fermentative production of organic compounds comprise in particular a purification of the starch sources prior to fermentation, for. B. the purification of liquefied and saccharified starch solutions (JP 57159500), or provide methods that should allow the production of fermentation media from renewable resources (EP 1205557).
Nicht aufgereinigte Stärkequellen hingegen werden in großem Umfang bei der fermentativen Herstellung von Bioethanol eingesetzt. Hierbei werden die Stärkequellen, üblicherweise ganze Getreidekörner, zunächst trocken vermählen und anschließend der Stärkebestandteil der Stärkequelle unter Einwirkungen von Enzymen hydrolysiert. Da- bei kann die Hydrolyse sowohl diskontinuierlich, z. B. in Rührkesseln, als auch kontinuierlich, z. B. In Jet-Kochern durchgeführt werden. Entsprechende Prozessbeschreibungen finden sich z. B. in „The Alcohol Textbook - A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries", Jaques et al. (Hg.), Nottingham Univ. Press 1995, ISBN 1-8977676-735, Kapitel 2, S. 7 bis 23, und in McAloon et al., „Determining the cost of producing ethanol from com starch and lignocellulosic feedstocks", NREL/TP-580- 28893, National Renewable Energy Laboratory, October 2000.By contrast, non-purified starch sources are widely used in the fermentative production of bioethanol. Here, the starch sources, usually whole cereal grains, first dry milled and then hydrolyzed the starch component of the starch source under the action of enzymes. In this case, the hydrolysis both discontinuously, z. B. in stirred tanks, as well as continuously, for. B. To be performed in jet cookers. Corresponding process descriptions can be found z. In "The Alcohol Textbook - A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries", Jaques et al. (Ed.), Nottingham Univ. Press 1995, ISBN 1-8977676-735, Chapter 2, pp. 7 to 23, and in McAloon et al., "Determining the cost of producing ethanol from starch and lignocellulosic feedstocks," NREL / TP-580-28989, National Renewable Energy Laboratory, October 2000.
Da bei der fermentativen Herstellung von Bioethanol das Wertprodukt durch Destillation gewonnen wird, stellt der Einsatz von Stärkequellen aus dem Dry-Milling-Prozess in nicht vorgereinigter Form kein gravierendes Problem dar. Bei der Anwendung eines Dry-Milling-Verfahrens zur Herstellung anderer mikrobieller Stoffwechselprodukte ist jedoch der über die Zuckerlösung in die Fermentation eingetragene Feststoffstrom problematisch, da dieser sich sowohl negativ auf die Fermentation auswirken kann, z. B. im Hinblick auf die Sauerstofftransferrate bzw. den Sauerstoffbedarf der eingesetzten Mikroorganismen (vgl. hierzu Mersmann, A. et al.: Selection and Design of Ae- robic Bioreactors, Chem. Eng. Technol. 13 (1990), 357-370) als auch die anschließende Aufarbeitung nicht unerheblich erschweren kann.Since the desired product is obtained by distillation in the fermentative production of bioethanol, the use of starch sources from the dry-milling process in non-prepurified form is not a serious problem. When applying a dry-milling process for the production of other microbial metabolites is However, the introduced via the sugar solution in the fermentation solids flow problematic, since this can have a negative effect on the fermentation, z. B. with regard to the oxygen transfer rate or the oxygen demand of the microorganisms used (cf .. see Mersmann, A. et al .: Selection and Design of African Bioreactors, Chem. Eng. Technol. 13 (1990), 357-370) as well as the subsequent work-up can not aggravate significantly.
Zudem kann durch den Feststoffeintrag bereits bei der Herstellung der stärkehaltigen Suspension die Viskosität der Suspension einen kritischen Wert erreichen, wodurch z. B. eine Suspension mit mehr als 30 Gew.-% Maismehl in Wasser nicht mehr homogen mischbar ist (Industrial Enzymology, 2. Aufl., T. Godfrey, S. West, 1996). Dadurch ist bei herkömmlichem Vorgehen die Glucosekonzentration begrenzt. Dies ist im Hinblick auf die fermentative Bioethanol-Herstellung insofern nicht weiter relevant, da höhere Konzentrationen aufgrund der Toxizität des Produkts für die zur Fermentation eingesetzten Hefen ohnehin nicht sinnvoll umgesetzt werden könnten.In addition, the viscosity of the suspension can reach a critical value as a result of the introduction of solids already in the preparation of the starchy suspension, whereby z. B. a suspension with more than 30 wt .-% maize flour in water is no longer homogeneously miscible (Industrial Enzymology, 2nd ed., T. Godfrey, S. West, 1996). This limits the glucose concentration in the conventional procedure. This is not relevant in view of the fermentative production of bioethanol, since higher concentrations due to the toxicity of the product for the yeasts used for fermentation could not be implemented in any case meaningful.
Bei der fermentativen Herstellung anderer organischer Stoffwechselprodukte als Etha- nol ist es prinzipiell von Nachteil, der Fermentation zuckerhaltige Medien mit geringer Zuckerkonzentrationen zuzuführen, weil dies zu einer überproportionalen Verdünnung der Fermentationsbrühe führt und sich folglich die erreichbare Endkonzentration der Wertprodukte verringert, was einerseits erhöhte Kosten bei deren Gewinnung aus dem Fermentationsmedium verursacht und die Raum-Zeit-Ausbeute abnimmt. Diese Erwägungen sind insbesondere für den Fall maßgeblich, wenn ein für eine großvolumige Bioethanol-Produktion hergestelltes Stärkehydrolysat, das herkömmlicherweise gerin- ge Zucker- bzw. Glucosekonzentrationen von bis zu etwa 30 oder 33 Gew.-% aufweist, teilweise einer geringervolumigen Nebenfermentation zur Herstellung anderer Chemikalien zugeführt werden soll.In the fermentative production of organic metabolites other than ethanol, it is in principle disadvantageous to supply the sugar-containing media with low sugar concentrations to the fermentation, since this leads to a disproportionate dilution of the fermentation broth and consequently reduces the achievable final concentration of the desired products, which on the one hand increases costs causing their recovery from the fermentation medium and decreases the space-time yield. These considerations are particularly relevant in the case when a starch hydrolyzate prepared for high volume bioethanol production, which conventionally has low sugar or glucose concentrations of up to about 30 or 33% by weight, partially undergoes a minor volumetric minor fermentation to produce others Chemicals to be supplied.
Aufgrund der dargestellten Schwierigkeiten und Einschränkungen sind Dry-Milling- Verfahren, wie sie für die Bioethanolherstellung in breitem Umfang eingesetzt werden, bei der fermentativen Herstellung anderer mikrobieller Stoffwechselprodukte als Etha- nol bislang ohne wesentliche wirtschaftliche Bedeutung geblieben.Because of the difficulties and limitations presented, dry-milling processes, such as are widely used for bioethanol production, have hitherto remained of no significant economic importance in the fermentative production of other microbial metabolites than ethanol.
Versuche zur Übertragung des Dry-Milling-Konzepts und der mit diesem Verfahren verbundenen prinzipiellen Vorteile auf die großtechnische Herstellung mikrobiellerAttempts to transfer the dry-milling concept and the principal advantages associated with this method to the large-scale production of microbial
Stoffwechselprodukte sind bisher lediglich unter Verwendung von Cassava als Stärkequelle beschrieben worden. So beschreibt die JP 2001/275693 ein Verfahren zur fer- mentativen Herstellung von Aminosäuren, bei dem man als Stärkequelle geschälte Cassavaknollen einsetzt, die trocken vermählen wurden. Zur Durchführung des Verfah- rens ist es jedoch erforderlich, eine Teilchengröße des Mahlgutes von < 150 μm einzustellen. Bei der dazu angewendeten Filtration werden Teile des eingesetzten Mahlguts, einschließlich nicht-stärkehaltiger Bestandteile, vor der Verflüssigung/Verzuckerung der enthaltenen Stärke und der anschließenden Fermentation abgetrennt. Bei diesem Verfahren werden mäßige Zuckerkonzentrationen erreicht. Ein ähnliches Verfahren wird in der JP 2001/309751 zur Herstellung eines aminosäurehaltigen Futterzusatzes beschrieben.Metabolites have hitherto only been described using cassava as a source of starch. Thus, JP 2001/275693 describes a process for the fermentative production of amino acids, in which the starch source used is peeled cassava nodules which have been ground dry. For carrying out the process, however, it is necessary to set a particle size of the ground material of <150 μm. In the filtration used for this purpose, parts of the grinding stock used, including non-starchy constituents, separated before liquefaction / saccharification of the starch contained and subsequent fermentation. Moderate sugar concentrations are achieved in this process. A similar process is described in JP 2001/309751 for the preparation of an amino acid-containing feed additive.
Erhöhte Zuckerkonzentrationen in dem zur Fermentation eingesetzten Flüssigmedium können bei Einsatz eines Mahlguts zur Verzuckerung, das weitgehend die festen, nicht-stärkehaltigen Bestandteile der Stärkequelle enthält, durch das in der WO 2005/116228 (PCT/EP2005/005728) der Anmelderin beschriebene Verfahren erreicht werden. Eine Abtrennung der in der Stärkequelle enthaltenen festen, nichtstärkehaltigen Bestandteile vor der Fermentation hat sich dabei überraschenderweise als nicht erforderlich erwiesen. Ein ähnliches Verfahren unter Einsatz von unter Getreidekörnern ausgewählten Stärkequellen wird in der PCT/EP2006/066057 (älteren Pa- tentanmeldung DE 10 2005 042 541.0) der Anmelderin beschrieben. Für eine kontinuierliche Bereitstellung zuckerhaltiger Medien mit hoher Zuckerkonzentration ist dieses Verfahren jedoch vergleichsweise aufwendig.Increased sugar concentrations in the liquid medium used for fermentation can be achieved by using a method of saccharification largely containing the solid, non-starchy components of the starch source by the method described in WO 2005/116228 (PCT / EP2005 / 005728) of the Applicant , A separation of the solid, non-starch-containing components contained in the starch source before fermentation has surprisingly proved to be unnecessary. A similar process using starch sources selected from cereal grains is described in the applicant's PCT / EP2006 / 066057 (earlier patent application DE 10 2005 042 541.0). For a continuous supply of sugary media with high sugar concentration, however, this method is relatively expensive.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weiteres Verfahren zur Herstel- lung organischer Verbindungen durch Fermentation bereitzustellen, das eine keine oder zumindest keine vollständige vorherige Abtrennung der in der Stärkequelle enthaltenen, nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile erfordert. Das Verfahren sollte insbesondere eine kontinuierliche Hydrolyse des Stärkebestandteils der Stärkequelle ermöglichen. Außerdem sollte es sich durch eine leichte Handhabbarkeit der verwendeten Medien und deren problemlosen Einsatz in der Fermentation auszeichnen. Insbesondere sollte das Verfahren die Verwendung von Getreide als Stärkequelle erlauben.It was therefore an object of the present invention to provide a further process for the production of organic compounds by fermentation, which requires no or at least no complete prior separation of the non-starchy solid constituents contained in the starch source. In particular, the process should allow for continuous hydrolysis of the starch component of the starch source. In addition, it should be characterized by easy handling of the media used and their ease of use in fermentation. In particular, the process should allow the use of cereals as a source of starch.
Es wurde überraschend gefunden, dass ein fermentatives Verfahren zur Herstellung organischer Verbindungen trotz des inhärent hohen Feststoffeintrags effizient durch- führbar ist, wenn den zur Fermentation notwendigen Zucker in Form eines wässrigen Mediums bereitstellt, das erhältlich ist durchIt has surprisingly been found that a fermentative process for preparing organic compounds can be carried out efficiently despite the inherently high solids input, if the sugar required for fermentation is provided in the form of an aqueous medium which is obtainable by
i) Vermählen einer Stärkequelle unter Erhalt eines Mahlguts, das wenigstens eineni) grinding a starch source to obtain a millbase containing at least one
Teil der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle enthält;Contains part of the non-starchy solid components of the starch source;
ii) Suspendieren des Mahlguts in einer wässrigen Flüssigkeit in einer Menge, dass ein Trockenmassegehalt in der Suspension von wenigstens 45 Gew.-% resultiert,ii) suspending the millbase in an aqueous liquid in an amount such that a dry matter content in the suspension of at least 45% by weight results,
iii) Hydrolyse des Stärkebestandteils im Mahlgut durch Verflüssigen und gegebe- nenfalls anschließendes Verzuckern, wobei man ein wässriges Medium M erhält, welches die hydrolysierten Stärkebestandteile der Stärkequelle und wenigstens einen Teil der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle enthält, wobei die Hydrolyse das Erhitzen der Suspension des Mahlguts durch Einbringen von Wasserdampf in die Suspension auf Temperaturen oberhalb der Ver- kleisterungstemperatur der im Mahlgut enthaltenen Stärke umfasst.iii) hydrolysis of the starch constituent in the millbase by liquefaction and optionally subsequent saccharification to obtain an aqueous medium M containing the hydrolyzed starch constituents of the starch source and at least containing part of the non-starchy solid constituents of the starch source, wherein the hydrolysis comprises heating the suspension of the millbase by introducing water vapor into the suspension at temperatures above the pasting temperature of the starch contained in the millbase.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer organischen Verbindung mit mindestens 3 C-Atomen oder mit mindestens 2 C-Atomen und mindestens 1 N-Atom durch Fermentation, umfassend neben den Schritten i) und ii) die folgenden Schritte:The invention thus provides a process for preparing at least one organic compound having at least 3 C atoms or having at least 2 C atoms and at least 1 N atom by fermentation, comprising, in addition to steps i) and ii), the following steps:
iii) Hydrolyse des Stärkebestandteils im Mahlgut durch Verflüssigen und gegebenenfalls anschließendes Verzuckern, wobei man ein wässriges Medium M erhält, welches die hydrolysierten Stärkebestandteile der Stärkequelle und wenigstens einen Teil der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle enthält; undiii) hydrolysis of the starch constituent in the millbase by liquefaction and optionally subsequent saccharification to obtain an aqueous medium M containing the hydrolyzed starch constituents of the starch source and at least a portion of the non-starchy solid constituents of the starch source; and
iv) Verwendung des in Schritt iii) erhaltenen wässrigen Mediums M in einer Fermentation zur Kultivierung eines Mikroorganismus, welcher zur Überproduktion der organischen Verbindung befähigt ist;iv) using the aqueous medium M obtained in step iii) in a fermentation to cultivate a microorganism which is capable of overproducing the organic compound;
wobei man in Schritt iii) die in Schritt ii) erhaltene Suspension durch Einbringen vonwherein in step iii) the suspension obtained in step ii) by introducing
Wasserdampf in die Suspension auf Temperaturen oberhalb der Verkleisterungstem- peratur der im Mahlgut enthaltenen Stärke erhitzt.Steam is heated in the suspension to temperatures above the gelatinization temperature of the starch contained in the millbase.
Trotz des hohen Trockenmassegehalt in der zur Hydrolyse eingesetzten Suspension lässt sich die Hydrolyse in der erfindungsgemäßen Weise problemlos durchführen und man erhält dementsprechend hohe Konzentrationen an verstoffwechselbaren Zuckern. Dabei spielt es überraschenderweise keine Rolle, ob der Zucker nach der Hydrolyse in Form von Mono- oder Disacchariden vorliegt oder in Form von Oligosacchariden (= Dextrinen). Der hohe Gehalt an festen, nicht-stärkehaltigen Bestandteilen der Stärkequelle im erhaltenen Medium stört überraschenderweise nicht die Fermentation. Zudem werden durch das erfindungsgemäße Verfahren Viskositätsprobleme, wie sie beim Verflüssigen der Stärkequelle bei höheren Konzentrationen an Mahlgut auftreten können, weitgehend vermieden. Aufgrund der mit dem hohen Trockenmassegehalt einhergehenden hohen Konzentration an verstoffwechselbaren Zuckern im Fermentationsmedium kann das Medium in besonders vorteilhafter weise in der Zufütterungs- phase der Fermentation eingesetzt werden, wodurch eine unerwünschte Verdünnung weitgehend vermieden oder zumindest deutlich verringert wird. Selbstverständlich eignet sich das erfindungsgemäß erhältlich Medium M als Zuckerquelle in der Batch- Phase der Fermentation. Die Begriffe "Stärkeanteil" und "Stärkebestandteil" werden hier und im Folgenden synonym verwendet.Despite the high dry matter content in the suspension used for the hydrolysis, the hydrolysis can be carried out without difficulty in the manner according to the invention, and correspondingly high concentrations of metabolizable sugars are obtained. It surprisingly does not matter whether the sugar is present after hydrolysis in the form of mono- or disaccharides or in the form of oligosaccharides (= dextrins). The high content of solid, non-starchy components of the starch source in the resulting medium surprisingly does not interfere with the fermentation. In addition, by the method according to the invention viscosity problems, as they can occur during liquefaction of the starch source at higher concentrations of ground material, largely avoided. Due to the associated high dry matter content high concentration of metabolizable sugars in the fermentation medium, the medium can be used in a particularly advantageous manner in the feeding phase of the fermentation, whereby an undesirable dilution is largely avoided or at least significantly reduced. Of course, the medium M obtainable according to the invention is suitable as a sugar source in the batch phase of the fermentation. The terms "starch content" and "starch component" are used interchangeably here and below.
Im Bezug auf das in Schritt iii) erhaltene wässrige Medium M werden die Begriffe "wässriges Medium", "Flüssigmedium" und "wässrige zuckerhaltige Flüssigkeit" synonym verwendet.With respect to the aqueous medium M obtained in step iii), the terms "aqueous medium", "liquid medium" and "aqueous sugar-containing liquid" are used synonymously.
Der Begriff „Verflüssigung" bedeutet hier und im Folgenden den hydrolytischen Abbau von Stärke zu Oligosacchariden, insbesondere zu Dextrinen.The term "liquefaction" as used herein means the hydrolytic degradation of starch into oligosaccharides, especially dextrins.
Die Begriffe „Verzuckerung" bzw. „Verzuckern" bedeuten hier und im Folgenden die Hydrolyse von Dextrinen zu Monosacchariden, insbesondere zu Monosacchariden wie Glucose. Unter einem "verzuckernden Enzym" wird folglich ein Enzym verstanden, das Dextrine zu Monosacchariden hydrolysiert.The terms "saccharification" or "saccharification" here and in the following mean the hydrolysis of dextrins to monosaccharides, in particular to monosaccharides such as glucose. By a "saccharifying enzyme" is thus understood an enzyme which hydrolyzes dextrins to monosaccharides.
Unter dem Begriff „Dextrin" werden hier und im Folgenden durch hydrolytischen Abbau von Stärke erhaltene Oligosaccharide verstanden, die in der Regel aus 3 bis 18, insbesondere 6 bis 12 Monosaccharid-Einheiten, insbesondere aus Glucose-Einheiten, bestehen.The term "dextrin" is understood here and below as meaning oligosaccharides obtained by hydrolytic degradation of starch, which as a rule consist of 3 to 18, in particular 6 to 12 monosaccharide units, in particular of glucose units.
Die Begriffe „Gehalt an Glucoseäquivalenten" und „Zuckerkonzentration" bezeichnet die Gesamtkonzentration an Mono-, Di- und Oligosacchariden im Medium, die potenziell für eine Fermentation zur Verfügung steht. Der Begriff „Glucoseäquivalente" um- fasst auch die von Glucose verschiedenen verstoffwechselbaren Zucker bzw. Zucker- einheiten.The terms "content of glucose equivalents" and "sugar concentration" refers to the total concentration of mono-, di- and oligosaccharides in the medium potentially available for fermentation. The term "glucose equivalents" also includes the metabolizable sugars or sugar units other than glucose.
Die Begriffe „überproduzierend" bzw. „Überproduktion" werden hier und im Folgenden in Bezug auf einen Mikroorganismus verwendet, um dessen Eigenschaft zu bezeichnen, ein oder mehrere seiner Stoffwechselprodukte in einer Menge zu produzieren, die über die zur Vermehrung des Mikroorganismus benötigte Menge hinausgeht, wodurch es zur Anreicherung im Fermentationsmedium kommt, wobei die Anreicherung extra- oder intrazellulär erfolgen kann.The terms "overproducing" and "overproduction" are used herein and hereafter with respect to a microorganism to refer to its property of producing one or more of its metabolites in an amount in excess of the amount needed to replicate the microorganism, whereby it comes to the enrichment in the fermentation medium, wherein the enrichment can take place extra- or intracellularly.
Als Stärkequelle kommen für das Vermählen vor allem trockene Kornfrüchte oder Sa- men in Betracht, die in getrocknetem Zustand mindestens 40 Gew.-% und bevorzugt mindestens 50 Gew.-% Stärkeanteil aufweisen. Diese finden sich in vielen der heutzutage in großem Maßstab kultivierten Getreidepflanzen wie Mais, Weizen, Hafer, Gerste, Roggen, Triticale, Reis sowie in Zuckerrüben, Kartoffeln, Cassava und verschiedenen Hirsesorten, z. B. Sorghum und MiIo. Bevorzugt ist die Stärkequelle unter Getreide und speziell unter Mais-, Roggen-, Triticale- und Weizenkörnern ausgewählt. Grundsätzlich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch mit analogen Stärkequellen durchführen, wie beispielsweise einer Mischung verschiedener stärkehaltiger Kornfrüchte oder Samen.Suitable starch sources for grinding are, above all, dry grain crops or seeds which, when dried, have at least 40% by weight and preferably at least 50% by weight of starch. These are found in many of today's large-scale crops such as corn, wheat, oats, barley, rye, triticale, rice and sugar beets, potatoes, cassava and various types of millet, z. Sorghum and MiIo. Preferably, the starch source is selected from cereals and especially among corn, rye, triticale and wheat grains. In principle, the method according to the invention can also be used with analogue starch sources perform such as a mixture of starchy corn kernels or seeds.
Zur Herstellung des zuckerhaltigen Flüssigmediums wird im Schritt i) die jeweilige Stärkequelle mit oder ohne Zusatz von Flüssigkeit, z. B. Wasser, vermählen, bevorzugt ohne Zusatz von Flüssigkeit. Es kann auch eine Trockenvermahlung mit einer anschließenden Nassvermahlung kombiniert werden.For the preparation of the sugar-containing liquid medium in step i) the respective starch source with or without the addition of liquid, for. As water, ground, preferably without the addition of liquid. It can also be a dry grinding combined with a subsequent wet grinding.
Zur trockenen Vermahlung werden typischerweise Hammermühlen, Rotormühlen oder Walzen-Schrotmühlen eingesetzt; zur Nassvermahlung eignen sich Rührmixer, Rührwerkskugelmühlen, Zirkulationsmühlen, Scheibenmühlen, Ringkammermühlen, Schwingmühlen oder Planetenmühlen. Grundsätzlich kommen auch andere Mühlen in Betracht. Die zur Nassvermahlung erforderliche Flüssigkeitsmenge kann der Fachmann in Routineexperimenten ermitteln. Üblicherweise wird sie so eingestellt, dass der Gehalt an Trockensubstanz im Bereich von 10 bis 20 Gew.-% liegt.For dry grinding, hammer mills, rotor mills or roll mills are typically used; For wet grinding, agitating mixers, stirred ball mills, circulation mills, disk mills, annular chamber mills, vibrating mills or planetary mills are suitable. In principle, other mills come into consideration. The amount of liquid required for wet milling can be determined by the skilled person in routine experiments. Usually it is adjusted so that the content of dry matter in the range of 10 to 20 wt .-% is.
Durch das Mahlen wird eine für die sich anschließenden Verfahrensschritte geeignete Korngröße eingestellt. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das beim Vermählen, insbesondere bei trockener Vermahlung, im Schritt i) erhaltene Mahlgut Mehlpartikel, d. h. teilchenförmige Bestandteile, mit einer Korngröße im Bereich von 100 bis 630 μm in einem Anteil von 30 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 40 bis 95 Gew.-% und besonders bevorzugt 50 bis 90 Gew.-% aufweist. Vorzugsweise enthält das erhaltene Mahlgut 50 Gew.-% an Mehlpartikeln mit einer Korngröße von mehr als 100 μm. In der Regel weisen mindestens 95 Gew.-% der vermahlenen Mehlpartikel eine Korn- große von weniger als 2 mm auf. Die Messung der Korngröße erfolgt dabei mittels Siebanalyse unter Verwendung einer Vibrations-Analysenmaschine. Eine geringe Korngröße ist grundsätzlich zur Erzielung einer hohen Produktausbeute vorteilhaft. Eine zu geringe Teilchengröße kann jedoch zu Problemen, insbesondere durch Klumpenbildung/Agglomeration, beim Anmaischen des Mahlguts während der Verflüssigung bzw. bei der Aufarbeitung, z. B. bei der Trocknung der Feststoffe nach dem Fermentationsschritt, führen.By grinding, a suitable for the subsequent process steps grain size is set. It has proved to be advantageous if the grinding stock obtained during grinding, in particular in dry grinding, in step i) flour particles, d. H. particulate components having a particle size in the range of 100 to 630 microns in a proportion of 30 to 100 wt .-%, preferably 40 to 95 wt .-% and particularly preferably 50 to 90 wt .-%. Preferably, the millbase obtained contains 50 wt .-% of flour particles having a particle size of more than 100 microns. As a rule, at least 95% by weight of the ground flour particles have a particle size of less than 2 mm. The measurement of the grain size is carried out by sieve analysis using a vibration analyzer. A small grain size is basically advantageous for achieving a high product yield. Too small a particle size, however, can lead to problems, in particular due to lump formation / agglomeration, during mashing of the ground material during liquefaction or during work-up, eg. As in the drying of the solids after the fermentation step, lead.
Üblicherweise werden Mehle durch den Ausmahlungsgrad bzw. durch die Mehltype charakterisiert, wobei diese so miteinander korrelieren, dass mit zunehmendem Aus- mahlungsgrad auch die Kennzahl der Mehltype zunimmt. Der Ausmahlungsgrad entspricht der Gewichtsmenge des gewonnenen Mehls, bezogen auf 100 Gewichtsteile des eingesetzten Mahlguts. Während beim Mahlen zunächst reines, feinstes Mehl, z. B. aus dem Inneren des Getreidekorns, anfällt, nimmt beim weiteren Vermählen, also mit steigendem Ausmahlungsgrad, der Anteil an Rohfaser- und Schalengehalt im Mehl zu, der Stärkeanteil wird dabei geringer. Der Ausmahlungsgrad spiegelt sich daher auch in der so genannten Mehltype wider, die als Zahlenangabe zur Klassifizierung von Mehlen, insbesondere von Getreidemehlen, verwendet wird und die auf dem A- schegehalt des Mehles beruht (so genannte Ascheskala). Die Mehltype bzw. die Typenzahl gibt hierbei die Menge Asche (Mineralstoffe) in mg an, die beim Verbrennen von 100 g Mehltrockensubstanz zurück bleibt. Für Getreidemehle bedeutet eine höhere Typzahl einen höheren Ausmahlungsgrad, da der Kern des Getreidekorns in etwa 0,4 Gew.-%, die Schale hingegen etwa 5 Gew.-% Asche enthält. Bei niederem Ausmahlungsgrad bestehen die Getreidemehle also überwiegend aus dem zerkleinerten Mehlkörper, d. h. dem Stärkebestandteil der Getreidekörner; bei höherem Ausmahlungsgrad enthalten die Getreidemehle auch die zerkleinerte, eiweißhaltige Aleuron- schicht der Getreidekörner, bei Schrot auch die Bestandteile des eiweiß- und fetthaltigen Keimlings sowie der rohfaser- und aschehaltigen Samenschalen. Für die erfindungsgemäßen Zwecke sind grundsätzlich Mehle mit einem hohen Ausmahlungsgrad bzw. einer hohen Typzahl bevorzugt. Wird Getreide als Stärkequelle eingesetzt, so werden vorzugsweise die ganzen ungeschälten Körner vermählen und weiter verarbei- tet, gegebenenfalls nach vorheriger mechanischer Abtrennung von Keim und Spelzen.Flours are usually characterized by the degree of milling or by the type of flour, and these correlate with one another in such a way that the index of flour type increases as the degree of pulverization increases. The Ausmahlungsgrad corresponds to the amount by weight of the recovered flour, based on 100 parts by weight of the millbase used. While grinding first pure, finest flour, z. B. from the interior of the grain, is obtained in further milling, so with increasing Ausmahlungsgrad, the proportion of Rohfaser- and shell content in the flour, the starch content is lower. The Ausmahlungsgrad is therefore also reflected in the so-called flour type, which as a number for classification of flours, in particular of cereal flours, and based on the ash content of the flour (so-called ash scale). The flour type or the type number indicates the amount of ash (minerals) in mg, which remains when burning 100 g flour powder substance. For cereal flours, a higher type number means a higher degree of milling since the kernel of the cereal grain contains about 0.4% by weight, while the shell contains about 5% ash by weight. In the case of a low degree of milling, the cereal flours are therefore predominantly composed of the comminuted flour body, ie the starch constituent of the cereal grains; if the degree of milling is higher, the cereal flours also contain the crushed, protein-containing aleurone layer of the cereal grains; in the case of meal, the constituents of the proteinaceous and fat-containing seedling as well as the raw fiber and ash-containing seed shells. Flours having a high degree of milling or a high type number are generally preferred for the purposes according to the invention. If grain is used as the source of starch, then preferably the whole unpeeled grains are ground and processed further, if appropriate after prior mechanical separation of germ and husks.
Erfindungsgemäß enthält das verwendete Mahlgut zumindest einen Teil, vorzugsweise wenigstens 20 Gew.-%, insbesondere wenigstens 50 Gew.-%, speziell wenigstens 90 Gew.-% und ganz speziell wenigstens 99 Gew.-% der in den vermahlenen Getrei- dekörnern enthaltenen nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile, entsprechend dem Ausmahlungsgrad. Bezogen auf die stärkehaltigen Bestandteile des Mahlguts (und damit auf die Menge an verstoffwechselbarem Zucker im Medium M) beträgt der Anteil der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile Mahlgut vorzugsweise wenigstens 10 Gew.-% und insbesondere wenigstens 15 Gew.-%, z. B. zwischen 15 und 75 Gew.- % und speziell zwischen 20 und 60 Gew.-%.According to the invention, the millbase used contains at least one part, preferably at least 20% by weight, in particular at least 50% by weight, especially at least 90% by weight and especially not less than 99% by weight of those contained in the ground cereal grains starchy solid ingredients, according to the degree of milling. Based on the starchy constituents of the millbase (and thus on the amount of metabolizable sugar in the medium M), the proportion of non-starchy solid constituents millbase is preferably at least 10 wt .-% and in particular at least 15 wt .-%, z. B. between 15 and 75% by weight and especially between 20 and 60 wt .-%.
Anschließend wird das Mahlgut in Schritt ii) mit einer wässrigen Flüssigkeit, z. B. Frischwasser, rückgeführtem Prozesswasser, z. B. aus einer nachfolgenden Fermentation, oder mit einer Mischung dieser Flüssigkeiten vermischt, wobei man eine wässrige Suspension erhält. Dieser Vorgang wird häufig auch als Anmaischen bezeichnet.Subsequently, the millbase in step ii) with an aqueous liquid, for. B. fresh water, recycled process water, z. B. from a subsequent fermentation, or mixed with a mixture of these liquids, to obtain an aqueous suspension. This process is often referred to as mashing.
In der Regel wird man eine solche Menge der Stärkequelle bzw. des Mahlguts mit der wässrigen Flüssigkeit vermischen, dass die erhaltene Suspension einen Trockenmassegehalt von wenigstens 45 Gew.-%, häufig wenigstens 50 Gew.-%, insbesondere we- nigstens 55 Gew.-%, speziell wenigsten 60 Gew.-%, z. B. 45 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 50 bis 75 Gew.-%, insbesondere 55 bis 70 Gew.-% und speziell 60 bis 70 Gew.- % aufweist.In general, such an amount of the starch source or of the millbase will be mixed with the aqueous liquid that the resulting suspension has a dry matter content of at least 45% by weight, frequently at least 50% by weight, in particular at least 55% by weight. %, especially at least 60 wt .-%, z. B. 45 to 80 wt .-%, preferably 50 to 75 wt .-%, in particular 55 to 70 wt .-% and especially 60 to 70% by weight.
Grundsätzlich ist möglich, die zum Suspendieren des festen Mahlguts verwendete wässrige Flüssigkeit auf eine leicht erhöhte Temperatur, z. B. im Bereich von 40 bis 70 °C, vorzutemperieren. Es ist bevorzugt, dass die Temperatur der Flüssigkeit so ge- wählt ist, dass die erhaltene Suspension eine Temperatur unterhalb der Verkleiste- rungstemperatur, vorzugsweise wenigstens 5 K unterhalb der Verkleisterungstempera- tur der Stärke aufweist. Vorzugsweise wird die Temperatur der Suspension 60 °C, insbesondere 55 °C, nicht überschreiten.In principle, it is possible to use the aqueous liquid used for suspending the solid millbase to a slightly elevated temperature, for. B. in the range of 40 to 70 ° C, pre-tempering. It is preferred that the temperature of the liquid be as high as is selected, that the resulting suspension has a temperature below the vitrification temperature, preferably at least 5 K below the gelatinization temperature of the starch. Preferably, the temperature of the suspension will not exceed 60 ° C, especially 55 ° C.
Das Suspendieren des teilchenförmigen Mahlguts in der wässrigen Flüssigkeit, kann sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlichen in den hierfür üblichen Vorrichtungen erfolgen, beispielsweise diskontinuierlich in Rührwerksmischern oder in kontinuierlich betriebenen Mischvorrichtungen für das Vermischen vorn Feststoffen mit Flüssigkeiten, beispielsweise in Mischern, die nach dem Rotor-Stator-Prinzip arbeiten.Suspending particulate millbase in the aqueous liquor may be both batch and continuous in conventional equipment, such as intermittently in agitator mixers or in continuously operated mixing equipment for solids mixing with liquids, for example in mixers downstream of the rotor stator Principle work.
Zur Durchführung der Hydrolyse wird die das Mahlgut enthaltende wässrige Suspension zunächst durch Einbringen von Wasserdampf auf eine Temperatur oberhalb der Verkleisterungstemperatur der in der Stärkequelle bzw. dem Mahlgut enthaltenen Stär- ke erhitzt. Die hierzu für die jeweilige Stärke erforderliche Temperatur ist dem Fachmann bekannt (siehe das eingangs zitierte „The Alcohol Textbook - A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries", Kapitel 2, S. 11 ) oder kann von ihm in Routineexperimenten bestimmt werden. Typischerweise wird man auf eine Temperatur erhitzen, die wenigstens 10 K und insbesondere wenigstens 20 K, z. B. 10 bis 100 K, insbesondere 20 bis 80 K oberhalb der jeweiligen Verkleisterungstemperatur liegt. Insbesondere erhitzt man die Suspension auf Temperaturen im Bereich von 90 bis 150 °C, und speziell im Bereich von 100 bis 140 °C.To carry out the hydrolysis, the aqueous suspension containing the millbase is first heated by introducing steam into a temperature above the gelatinization temperature of the starch contained in the starch source or the millbase. The temperature required for the respective starch is known to the person skilled in the art (see the cited "The Alcohol Textbook - A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries", Chapter 2, p. 11) or can be determined by him in routine experiments Typically, the mixture is heated to a temperature which is at least 10 K and in particular at least 20 K, for example 10 to 100 K, in particular 20 to 80 K, above the respective gelatinization temperature, in particular the suspension is heated to temperatures in the region of 90 up to 150 ° C, and especially in the range of 100 to 140 ° C.
Bei dem zum Erhitzen eingesetzten Wasserdampf handelt es sich typischerweise um überhitzen Wasserdampf, der eine Temperatur von wenigstens 105 °C, insbesondere wenigstens 110 °C, z. B. 1 10 bis 210 °C aufweist. Vorzugsweise wird der Dampf mit Überdruck in die Suspension eingebracht. Dementsprechend weist der Dampf vorzugsweise einen Druck von wenigstens 1 ,5 bar, z. B. 1 ,5 bis 16 bar, insbesondere 2 bis 12 bar auf.The water vapor used for heating is typically superheated steam having a temperature of at least 105 ° C, especially at least 110 ° C, e.g. B. 1 has 10 to 210 ° C. Preferably, the vapor is introduced with overpressure into the suspension. Accordingly, the steam preferably has a pressure of at least 1.5 bar, e.g. B. 1, 5 to 16 bar, in particular 2 to 12 bar.
Das Einbringen von Wasserdampf in die Suspension erfolgt in der Regel so, dass man den Dampf mit Überdruck, vorzugsweise einem Überdruck von 1 bis 10 oder 11 bar, insbesondere 1 ,5 bis 5 bar und vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit in die Suspension einträgt. Durch das Eintragen des Dampfes erhitzt sich die Suspension au- genblicklich auf Temperaturen oberhalb 90 °C, also auf Temperaturen oberhalb der Verkleisterungstemperatur.The introduction of water vapor into the suspension is generally carried out by introducing the vapor into the suspension at overpressure, preferably at an overpressure of 1 to 10 or 11 bar, in particular 1.5 to 5 bar, and preferably at high speed. By introducing the vapor, the suspension heats up instantly to temperatures above 90 ° C, ie to temperatures above the gelatinization temperature.
Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen mit Wasserdampf in einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung, in welche man die Suspension kontinuierlich mit einem bestimmten För- derdruck, der sich aus der Viskosität der Suspension, der Fördergeschwindigkeit und der Geometrie der Vorrichtung ergibt, einspeist und in die man im Bereich des Einspei- sens der Suspension den heißen Dampf mit Überdruck, bezogen auf den Förderdruck, über eine regelbare Düse einspeist. Durch das Einspeisen des Dampfs mit Überdruck wird die Suspension nicht nur erhitzt sondern es wird auch mechanische Energie in das System eingetragen, welche eine weitere Zerteilung der Mahlgutpartikel fördert, einen besonders gleichmäßigen Energieeintrag bewirkt, und somit eine besonders gleichmäßige Verkleisterung der granulären Stärkepartikel im Mahlgut zur Folge hat. Typischerweise haben diese Vorrichtungen eine röhrenförmige Geometrie. Vorzugsweise erfolgt das Eintragen des Dampfes in Richtung der Längsachse der röhrenförmigen Vorrichtung. Die Zufuhr der Suspension erfolgt in der Regel in einem Winkel von wenigstens 45° oder senkrecht hierzu. Die regelbare Düse weist typischerweise eine konische Geometrie auf, die sich in Fließrichtung des Dampfs verjüngt. In dieser Düse ist eine Nadel oder ein auf einer in Längsrichtung verschiebbaren Stange angeordneter Kegel angeordnet. Nadel bzw. Kegel bildet mit dem Konus der Düse einen Spalt. Durch Verschieben der Nadel bzw. der Stange in Längsrichtung lässt sich die Größe des Spalts und damit die Querschnittsfläche der Düsenöffnung in einfacher Weise einstellen, wodurch man in einfacher Weise die Geschwindigkeit des Dampfeintrags regulieren kann.The heating with steam is preferably carried out in a continuously operating device, into which the suspension is fed continuously with a specific delivery pressure, which results from the viscosity of the suspension, the conveying speed and the geometry of the device, and in which feed-in sens the suspension the hot steam with positive pressure, based on the delivery pressure, fed via a controllable nozzle. By injecting the steam with overpressure, the suspension is not only heated but also mechanical energy is introduced into the system, which promotes a further division of Mahlgutpartikel, causes a particularly uniform energy input, and thus a particularly uniform gelatinization of the granular starch particles in the millbase Episode has. Typically, these devices have a tubular geometry. Preferably, the vapor is introduced in the direction of the longitudinal axis of the tubular device. The supply of the suspension is usually at an angle of at least 45 ° or perpendicular thereto. The controllable nozzle typically has a conical geometry that tapers in the flow direction of the vapor. In this nozzle, a needle or arranged on a longitudinally displaceable rod cone is arranged. Needle or cone forms a gap with the cone of the nozzle. By moving the needle or the rod in the longitudinal direction, the size of the gap and thus the cross-sectional area of the nozzle opening can be adjusted in a simple manner, whereby one can regulate the speed of the steam input in a simple manner.
Typischerweise weisen diese Vorrichtungen außerdem ein Vermischungsrohr auf, in welches die Suspension nach dem Dampfeintrag transportiert und aus der Vorrichtung ausgetragen wird. Dieses Vermischungsrohr ist üblicherweise in Richtung des Dampfeintrags und senkrecht zur Einspeisung angeordnet. Das Vermischungsrohr bildet typischerweise mit der Düse einen Spalt, durch den die Suspension transportiert wird. Durch diesen Spalt wirken beim Transport zusätzliche Scherkräfte auf die Suspension und erhöhen somit den mechanischen Energieeintrag in die Suspension. Das Vermischungsrohr kann in Längsrichtung verschiebbar angeordnet sein. Durch Verschieben des Vermischungsrohrs lässt sich in einfacher Weise die Größe der Spaltöffnung einstellen und damit das Druckgefälle in der Vorrichtung.Typically, these devices also include a mixing tube into which the suspension is transported after steaming and discharged from the device. This mixing tube is usually arranged in the direction of the steam inlet and perpendicular to the feed. The mixing tube typically forms a gap with the nozzle through which the suspension is transported. Through this gap additional shear forces act on the suspension during transport and thus increase the mechanical energy input into the suspension. The mixing tube can be arranged to be displaceable in the longitudinal direction. By moving the mixing tube can be adjusted in a simple manner, the size of the gap opening and thus the pressure drop in the device.
Derartige Vorrichtungen sind unter der Bezeichnung Jet-Kocher aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise die in „The Alcohol Textbook", Kapitel 2, loc. cit, Figur 13 dargestellte Vorrichtung und kommerziell erhältlich, beispielsweise unter der Bezeichnung HYDROHEATER® der Fa. Hydro Thermal Corp. Waukesha Wl, USA.Such devices are known under the name jet cookers from the prior art, for example, the device shown in "The Alcohol Textbook", Chapter 2, loc cit, Figure 13 and commercially available, for example under the name HYDROHEATER® Fa. Hydro Thermal Corp. Waukesha WI, USA.
Bei kontinuierlicher Reaktionsführung wird die mit Wasserdampf behandelte Suspension in der Regel im Anschluss daran in eine Nachreaktionszone überführt, um das Gelieren der Stärkebestandteile fortzusetzen. In der Nachreaktionszone herrscht typischerweise Überdruck, typischerweise ein Absolutdruck im Bereich von 2 bis 8 bar. Die Temperaturen in der Nachreaktionszone liegen typischerweise im Bereich von 90 bis 150 °C. Die Verweilzeit in dieser Nachreaktionszone kann in Abhängigkeit von der Temperatur der Suspension im Bereich von 1 min bis 4 h betragen. Die Nachreakti- onszonen weisen typischerweise eine röhrenförmige oder säulenförmige Geometrie auf. In einer Ausführungsform handelt weist die Nachreaktionszone die Geometrie einer senkrecht angeordneten Säule auf. Die Suspension wird hierbei nach Verlassen der Vorrichtung zur Dampfbehandlung eine im oberen Bereich der Säule aufgebracht und im unteren Bereich entnommen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist die Nachreaktionszone eine röhrenförmige Geometrie auf.In continuous reaction, the steam-treated suspension is usually subsequently transferred to a post-reaction zone in order to continue the gelling of the starch components. In the post-reaction zone, there is typically overpressure, typically an absolute pressure in the range of 2 to 8 bar. The temperatures in the post-reaction zone are typically in the range of 90 to 150 ° C. The residence time in this post-reaction zone may be in the range from 1 minute to 4 hours, depending on the temperature of the suspension. The post-reaction onszonen typically have a tubular or columnar geometry. In one embodiment, the post-reaction zone has the geometry of a vertically arranged column. The suspension is here after leaving the device for steam treatment one applied in the upper part of the column and removed in the lower part. In another embodiment of the invention, the post-reaction zone has a tubular geometry.
Nach Verlassen der Nachreaktionszone wird die Suspension in der Regel entspannt und man führt dann eine Verflüssigung durch. Vorzugsweise führt man die Entspan- nung als Flash-Verdampfung durch, um die Suspension abzukühlen, vorzugsweise auf Temperaturen unterhalb 100 °C, insbesondere unterhalb 85 °C. In der Regel erfolgt dann eine Verflüssigung der so aufgeschlossenen Stärke in einem separaten Reaktionsgefäß. Die Verflüssigung kann in der oben beschriebenen Weise durchgeführt werden.After leaving the post-reaction zone, the suspension is usually relaxed and then performs a liquefaction. Preferably, the relaxation is carried out as flash evaporation in order to cool the suspension, preferably to temperatures below 100 ° C., in particular below 85 ° C. As a rule, a liquefaction of the starch thus digested takes place in a separate reaction vessel. The liquefaction can be carried out in the manner described above.
Die Verflüssigung kann in üblicher Weise durchgeführt werden. In der Regel erfolgt das Verflüssigen in Schritt ii) in Gegenwart mindestens eines Stärke verflüssigenden Enzyms, das in der Regel unter α-Amylasen ausgewählt ist. Andere unter den Reaktionsbedingungen aktive und stabile Stärke verflüssigende Enzyme sind ebenfalls einsetz- bar.The liquefaction can be carried out in the usual way. As a rule, the liquefaction in step ii) takes place in the presence of at least one starch-liquefying enzyme, which is generally selected from α-amylases. Other active and stable starch-liquefying enzymes under the reaction conditions can also be used.
Zur Verflüssigung des Stärkeanteils im Mahlgut können grundsätzlich alle Stärke verflüssigenden Enzyme, insbesondere α-Amylasen (Enzymklasse EC 3.2.1.1 ) eingesetzt werden, beispielsweise α-Amylasen, die aus Bacillus lichenformis oder Bacillus stae- rothermophilus gewonnen wurden und speziell solche, die zum Verflüssigen von durch Dry-Milling-Verfahren gewonnenen Materialien im Rahmen der Herstellung von Bio- ethanol verwendet werden. Bevorzugte Enzyme sind temperaturstabil, d. h. sie verlieren auch beim Erhitzen auf Temperaturen oberhalb der Verkleisterungstemperatur ihre enzymatische Aktivität nicht. Die zum Verflüssigen geeigneten α-Amylasen sind auch kommerziell erhältlich, beispielsweise von Novozymes unter der Bezeichnung Terma- myl 120 L, Typ L; oder von Genencor unter der Bezeichnung Spezyme. Es kann auch eine Kombination verschiedener α-Amylasen zur Verflüssigung eingesetzt werden.In principle, all starch-liquefying enzymes, in particular α-amylases (enzyme class EC 3.2.1.1) can be used to liquefy the starch content in the millbase, for example α-amylases obtained from Bacillus lichenformis or Bacillus stae rothermophilus and especially those which liquefy used by dry-milling processes in the production of bioethanol. Preferred enzymes are temperature stable, d. H. they also do not lose their enzymatic activity when heated to temperatures above the gelatinization temperature. The α-amylases suitable for liquefaction are also commercially available, for example from Novozymes under the name Termomyl 120 L, type L; or from Genencor under the name Spezyme. It is also possible to use a combination of different α-amylases for liquefaction.
Vorteilhafterweise werden die Mengen an Stärke verflüssigendem Enzym, insbesonde- re α-Amylase, so gewählt, dass ein rascher und vollständiger Abbau der Stärke zu Oligosacchariden erreicht wird. Die Gesamtmenge an Stärke verflüssigendem Enzym, insbesondere α-Amylase, liegt üblicherweise im Bereich von 0,002 bis 3,0 Gew.-%, bevorzugt von 0,01 bis 1 ,5 Gew.-% und besonders bevorzugt von 0,02 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der eingesetzten Stärkequelle. Die α-Amylase (bzw. das verwendete Stärke verflüssigende Enzym) kann im Reaktionsgefäß vorgelegt oder im Verlauf des Schrittes der Verflüssigung zugegeben werden.Advantageously, the amounts of starch-liquefying enzyme, in particular α-amylase, are chosen so that rapid and complete degradation of the starch to oligosaccharides is achieved. The total amount of starch-liquefying enzyme, in particular α-amylase, is usually in the range from 0.002 to 3.0% by weight, preferably from 0.01 to 1.5% by weight and more preferably from 0.02 to 0, 5 wt .-%, based on the total amount of the starch source used. The α-amylase (resp. the starch-liquefying enzyme used) can be introduced into the reaction vessel or added during the liquefaction step.
Für eine optimale Wirkung der α-Amylase (bzw. des verwendeten Stärke verflüssigen- den Enzyms) wird Schritt ii) vorzugsweise zumindest zeitweise bei einem pH-Wert im pH-Optimum des verflüssigenden Enzyms, häufig bei einem pH-Wert im schwach sauren Bereich, vorzugsweise zwischen 4,0 und 7,0, besonders bevorzugt zwischen 5,0 bis 6,5 durchgeführt, wobei üblicherweise vor oder zu Beginn von Schritt ii) die pH- Einstellung vorgenommen wird; dieser pH-Wert wird während der Verflüssigung vor- zugsweise kontrolliert und gegebenenfalls nachgestellt. Die Einstellung des pH-Werts erfolgt vorzugsweise mit verdünnten Mineralsäuren wie H2SO4 oder H3PO4 bzw. mit verdünnten Alkalilaugen wie NaOH oder KOH.For an optimal effect of the α-amylase (or of the starch-liquefying enzyme used), step ii) is preferably at least temporarily at a pH in the pH optimum of the liquefying enzyme, frequently at a pH in the weakly acidic range, preferably between 4.0 and 7.0, more preferably between 5.0 to 6.5, usually before or at the beginning of step ii) the pH adjustment is made; This pH is preferably controlled during liquefaction and optionally adjusted. The adjustment of the pH is preferably carried out with dilute mineral acids such as H 2 SO 4 or H 3 PO 4 or with dilute alkali solutions such as NaOH or KOH.
Zur Stabilisierung der eingesetzten Enzyme kann gegebenenfalls die Konzentration an Ca2+-lonen, z. B. mit CaCI2, auf einen enzymspezifischen optimalen Wert eingestellt werden. Geeignete Konzentrationswerte können vom Fachmann in Routineexperimenten bestimmt werden. Wird z. B. Termamyl als α-Amylase eingesetzt, so ist es vorteilhaft, eine Ca2+-Konzentration von z. B. 10 bis 100 ppm, bevorzugt 20 bis 80 ppm und besonders bevorzugt etwa 30 bis 70 ppm im Flüssigmedium einzustellen, wobei die Angabe ppm gewichtsbezogen ist und g/1000 kg bedeutet.To stabilize the enzymes used, if appropriate, the concentration of Ca 2+ ions, z. B. with CaCl 2 , to an enzyme-specific optimal value. Suitable concentration levels can be determined by one skilled in the art in routine experimentation. If z. As Termamyl used as α-amylase, it is advantageous to have a Ca 2+ concentration of z. B. 10 to 100 ppm, preferably 20 to 80 ppm and more preferably about 30 to 70 ppm in the liquid medium, wherein the indication ppm is by weight and g / 1000 kg means.
Zum vollständigen Abbau der Stärke zu Dextrinen wird das Reaktionsgemisch so lange bei der eingestellten Temperatur gehalten, bis der Stärkenachweis mit Jod oder gegebenenfalls ein anderer Test zum Nachweis von Stärke negativ oder mindestens im Wesentlichen negativ ausfällt. Gegebenenfalls können hierbei noch eine oder mehrere weitere Teilmengen α-Amylase, z. B. im Bereich von 0,001 bis 0,5 Gew.-% und bevorzugt 0,002 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der eingesetzten Stärkequelle, zu der Reaktionsmischung gegeben werden.For complete degradation of the starch to dextrins, the reaction mixture is kept at the set temperature until the starch detection with iodine or optionally another test for the detection of starch negative or at least substantially negative. Optionally, one or more additional aliquots of α-amylase, z. B. in the range of 0.001 to 0.5 wt .-% and preferably 0.002 to 0.2 wt .-%, based on the total amount of the starch source used, are added to the reaction mixture.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gibt man wenigstens einen Teil oder die Gesamtmenge, in der Regel wenigstens 50 %, insbesondere wenigstens 80 % der Gesamtmenge oder die Gesamtmenge des die Stärke verflüssigenden Enzyms vor dem Erhitzen mit Wasserdampf zu der Suspension des Mahlguts in der wässrigen Flüssigkeit. Auf diese Weise erfolgt die Verflüssigung bereits während des Erhitzens auf Temperaturen oberhalb der Verkleisterungstemperatur. Das Erhitzen mit Wasserdampf und die Nachreaktionsphase werden entsprechend durchgeführt. Eine anschließende Verflüssigung in einem separaten Reaktionsgefäß kann entfallen. Vorzugsweise wird man jedoch eine solche Verflüssigung zur Vervollständigung des Abbaus der Stärke in Dextrine durchführen. Auf diese Weise erhält man eine wässriges Stärkehydrolysat, welches den verflüssigten Stärkeanteil aus dem Mahlgut, typischerweise Dextrine und gegebenenfalls weitere Oligosaccharide und Mono- oder Disaccharide, sowie die nicht-stärkehaltigen Bestandteile des Mahlguts, insbesondere die festen, nicht-stärkehaltigen Bestandteile des zur Verflüssigung eingesetzten Mahlguts enthält.In a preferred embodiment of the invention, at least a portion or the total amount, usually at least 50%, in particular at least 80%, of the total or total amount of starch-liquefying enzyme is added to the suspension of the millbase in the aqueous liquid prior to heating with steam , In this way, the liquefaction already takes place during heating to temperatures above the gelatinization temperature. The heating with water vapor and the post-reaction phase are carried out accordingly. A subsequent liquefaction in a separate reaction vessel can be omitted. Preferably, however, such liquefaction will be carried out to complete the degradation of the starch into dextrins. In this way, an aqueous starch hydrolyzate is obtained, which contains the liquefied starch portion from the millbase, typically dextrins and optionally further oligosaccharides and mono- or disaccharides, and the non-starchy constituents of the millbase, in particular the solid, non-starchy constituents of the liquefaction agent used Grind contains.
Dieses Hydrolysat kann als wässriges Medium M direkt einer Fermentation zur Herstellung der organischen Verbindung zugeführt werden. Häufig wird man jedoch noch einer Verzuckerung unterwerfen. Die Verzuckerung kann in Analogie zu den bekannten Verzuckerungsverfahren des Standes der Technik durchgeführt werden.This hydrolyzate can be fed as an aqueous medium M directly to a fermentation to produce the organic compound. Often, however, one will still submit to saccharification. The saccharification can be carried out analogously to the known saccharification methods of the prior art.
Die Verzuckerung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt. Das verflüssigte Medium wird hierzu typischerweise in einem speziellen Verzuckerungstank vollständig verzuckert, bevor es z. B. einem nachfolgenden Fermentationsschritt zugeführt wird. Hierzu wird man das nach Verflüssigung erhaltene wässrige Produkt mit einem die Verzuckerung bewirkenden Enzym, typischerweise einer Glucoamylase, unter den hierfür üblichen Bedingungen behandeln.The saccharification can be carried out continuously or discontinuously. The liquefied medium is this typically completely saccharified in a special saccharification tank before it z. B. is fed to a subsequent fermentation step. For this, the aqueous product obtained after liquefaction is treated with an enzyme causing the saccharification, typically a glucoamylase, under the conditions customary for this purpose.
Zur Verzuckerung der Dextrine (d. h. Oligosaccharide) können grundsätzlich alle GIu- coamylasen (Enzymklasse EC 3.2.1.3) eingesetzt werden, insbesondere Glucoamyla- sen, die aus Aspergilus gewonnen wurden und speziell solche, die zum Verzuckern von durch Dry-Milling-Verfahren gewonnenen Materialien im Rahmen der Herstellung von Bioethanol verwendet werden. Die zum Verzuckern geeigneten Glucoamylasen sind auch kommerziell erhältlich, beispielsweise von Novozymes unter der Bezeich- nung Dextrozyme GA; oder von Genencor unter der Bezeichnung Optidex. Es kann auch eine Kombination verschiedener Glucoamylasen verwendet werden.For the saccharification of the dextrins (ie oligosaccharides) it is possible in principle to use all glucoamylases (enzyme class EC 3.2.1.3), in particular glucoamylases, which have been obtained from Aspergilus and especially those which are used for saccharification of materials obtained by dry-milling processes used in the production of bioethanol. The glucoamylases suitable for saccharification are also commercially available, for example from Novozymes under the name Dextrozyme GA; or from Genencor under the name Optidex. A combination of different glucoamylases can also be used.
Das verzuckernde Enzym wird dem nach der Verflüssigung erhaltenen dextrinhaltigen Hydrolysat üblicherweise in einer Menge von 0,001 bis 5,0 Gew.-%, bevorzugt von 0,005 bis 3,0 Gew.-% und besonders bevorzugt von 0,01 bis 1 ,0 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der eingesetzten Stärkequelle, zugesetzt.The saccharifying enzyme is usually added to the dextrin-containing hydrolyzate obtained after liquefaction in an amount of 0.001 to 5.0% by weight, preferably 0.005 to 3.0% by weight, and more preferably 0.01 to 1.0% by weight. -%, based on the total amount of starch source used added.
In der Regel erfolgt die Verzuckerung bei Temperaturen im Bereich des Temperaturoptimums des verzuckernden Enzyms oder leicht darunter, z. B. bei 50 bis 70 °C, bevor- zugt bei 60 bis 65 °C. Vorzugsweise wird man das wässrige Verflüssigungsprodukt zunächst auf diese Temperaturen einstellen und anschließend mit dem die Verzuckerung bewirkenden Enzym versetzen. Vorteilhafterweise wird vor Zugabe des verzuckernden Enzyms, z. B. der Glucoamylase, der pH-Wert des wässrigen Hydrolysat auf einen Wert im optimalen Wirkungsbereich des eingesetzten Enzyms, vorzugsweise im Be- reich zwischen 3,5 und 6,0; besonders bevorzugt zwischen 4,0 und 5,5 und ganz besonders bevorzugt zwischen 4,0 und 5,0 eingestellt. Nach Zugabe des verzuckernden Enzyms wird die dextrinhaltige Suspension vorzugsweise für einen Zeitraum von z. B. 2 bis 72 Stunden oder länger, sofern erforderlich, insbesondere von 5 bis 48 Stunden bei der eingestellten Temperatur gehalten, wobei die Dextrine zu Monosacchariden verzuckert werden. Der Fortschritt der Verzuckerung kann mit dem Fachmann bekannten Methoden, z. B. HPLC, Enzymtests oder Glucose- Teststäbchen, verfolgt werden. Die Verzuckerung ist abgeschlossen, wenn die Konzentration der Monosaccharide nicht mehr wesentlich ansteigt oder wieder fällt.In general, the saccharification takes place at temperatures in the range of the temperature optimum of the saccharifying enzyme or slightly below, z. At 50 to 70 ° C, preferably at 60 to 65 ° C. Preferably, the aqueous liquefaction product will first be adjusted to these temperatures and then mixed with the enzyme which causes the saccharification. Advantageously, prior to the addition of the saccharifying enzyme, e.g. As the glucoamylase, the pH of the aqueous hydrolyzate to a value in the optimal range of action of the enzyme used, preferably in the range between 3.5 and 6.0; more preferably between 4.0 and 5.5, and most preferably between 4.0 and 5.0. After addition of the saccharifying enzyme, the dextrin-containing suspension is preferably for a period of, for. B. 2 to 72 hours or longer, if necessary, in particular 5 to 48 hours kept at the set temperature, wherein the dextrins are saccharified to monosaccharides. The progress of saccharification may be by methods known to those skilled in the art, e.g. As HPLC, enzyme assays or glucose test strips, are followed. Saccharification is complete when the concentration of monosaccharides no longer increases or decreases significantly.
Da zur Herstellung des wässrigen Hydrolysats ein Mahlgut eingesetzt wird, welches im Wesentlichen alle Bestandteile der Stärkequelle oder zumindest neben der Stärke auch einen Teil der festen nicht-stärkehaltigen Bestandteile enthält (d. h. es wird keine vollständige Abtrennung der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle vorgenommen), umfasst das nach Verflüssigung und gegebenenfalls Verzuckerung erhaltene wässrige Hydrolysat auch einen Teil oder die Gesamtmenge der nichtstärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle. Dies bedingt oftmals den Eintrag eines nicht zu vernachlässigenden Anteils an Phytat, z. B. aus der Kornfrucht. Um die daraus resultierende inhibierende Wirkung zu vermeiden, wird vorteilhafterweise dem Hydrolysat eine oder mehrere Phytasen zugesetzt, bevor man es einem Fermentati- onsschritt zugeführt wird. Die Zugabe der Phytase kann vor, während oder nach der Verflüssigung erfolgen, sofern sie die jeweils erforderliche Hitzestabilität aufweist. Es können beliebige Phytasen eingesetzt werden, soweit deren Aktivität unter den Reaktionsbedingungen jeweils höchstens unwesentlich eingeschränkt ist. Bevorzugt sind Phytasen mit einer Temperaturstabilität (T50) > 50 °C und besonders bevorzugt > 60 °C. Die Menge an Phytase beträgt üblicherweise 1 bis 10000 Units/kg Stärkequelle und insbesondere 10 bis 4000 Units/kg Stärkequelle.Since a ground stock is used for the preparation of the aqueous hydrolyzate which contains substantially all constituents of the starch source or at least in addition to the starch also a part of the solid non-starchy constituents (ie, there is no complete separation of the non-starchy solid constituents of the starch source) , the aqueous hydrolyzate obtained after liquefaction and optionally saccharification also comprises some or all of the non-starch-containing solid constituents of the starch source. This often requires the entry of a non-negligible proportion of phytate, z. B. from the grain crop. In order to avoid the resulting inhibiting effect, it is advantageous to add one or more phytases to the hydrolyzate before it is fed to a fermentation step. The addition of the phytase can be done before, during or after liquefaction, provided that it has the required heat stability. It can be used any phytases, as far as their activity is limited under the reaction conditions in each case at most insignificant. Preference is given to phytases with a temperature stability (T50)> 50 ° C and particularly preferably> 60 ° C. The amount of phytase is usually 1 to 10,000 units / kg of starch source, and more preferably 10 to 4,000 units / kg of starch source.
Zur Erhöhung der Gesamtzuckerausbeute bzw. zur Gewinnung freier Aminosäuren können dem während der Verflüssigung oder während der Verzuckerung weitere En- zyme, zum Beispiel Pullulanasen, Cellulasen, Hemicellulasen, Glucanasen, Xylanasen, Glucosidasen oder Proteasen, zugesetzt werden. Der Zusatz dieser Enzyme kann die Viskosität positiv beeinflussen, d. h. herabsetzen (z. B. durch Spaltung langkettiger (auch bezeichnet als längerkettiger) Glucane und/oder von (Arabino-)Xylanen), die Freisetzung metabolisierbarer Glucoside und die Freisetzung von (Rest-)Stärke bewir- ken. Der Einsatz von Proteasen hat analoge positive Effekte, wobei zusätzlich Aminosäuren als Wachstumsfaktoren für die Fermentation freigesetzt werden können.To increase the overall sugar yield or to obtain free amino acids, further enzymes, for example pullulanases, cellulases, hemicellulases, glucanases, xylanases, glucosidases or proteases, may be added to the liquor or during the saccharification. The addition of these enzymes can positively influence the viscosity, i. H. (eg by cleavage of long-chain (also referred to as longer-chain) glucans and / or of (arabino) xylans), the release of metabolizable glucosides and the release of (residual) starch cause. The use of proteases has analogous positive effects, with additional amino acids as growth factors for the fermentation can be released.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird man keine oder nur eine teilweise Verzuckerung vor der Fermentation vornehmen. Die Verzuckerung erfolgt dann zu- mindest teilweise während der Fermentation, d. h. in-situ. Beispielsweise kann man hierbei so vorgehen, dass man eine Teilmenge der in dem Flüssigmedium enthaltenen Dextrine, z. B. im Bereich von 10 bis 90 Gew.-% und insbesondere im Bereich von 20 bis 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Dextrine (bzw. der ursprünglichen Stärke), verzuckert und das resultierende zuckerhaltige Medium in der Fermentation einsetzt. Im Fermentationsmedium kann dann eine weitere Verzuckerung in situ erfol- gen. Die Verzuckerung kann des Weiteren unter Wegfall eines separaten Verzuckerungstanks direkt im Fermenter durchgeführt werden.In another embodiment of the invention, one will make no or only partial saccharification before fermentation. The saccharification then takes place at least partly during the fermentation, ie in situ. For example, one can proceed in such a way that one part of the amount contained in the liquid medium Dextrins, e.g. B. in the range of 10 to 90 wt .-% and in particular in the range of 20 to 80 wt .-%, based on the total weight of the dextrins (or the original starch), saccharified and the resulting sugar-containing medium used in the fermentation. Further saccharification can then take place in situ in the fermentation medium. The saccharification can furthermore be carried out directly in the fermenter with the elimination of a separate saccharification tank.
Die in situ-Verzuckerung kann unter Zusatz verzuckernder Enzyme, wie oben beschrieben, oder auch in Abwesenheit solcher Enzyme erfolgen, da viele Mikroorganis- men selber in der Lage sind, Oligosacharide zu verstoffwechseln. Dabei werden die Dextrine entweder als solche von dem Mikroorganismus aufgenommen und verstoff- wechselt oder nach vorheriger Verzuckerung durch Stamm-eigene verzuckernde Enzyme, z. B. Stamm-eigene Glukoamylasen, hydrolysiert und dann verstoffwechselt. Besonders vorteilhaft ist im letzteren Fall, dass während der Fermentation die Ge- schwindigkeit der Verzuckerung, insbesondere einer Glucosefreisetzung, einerseits durch die Menge an Biomasse und anderseits durch das Expressionsniveau der Stamm-eigenen verzuckernden Enzyme dem Bedarf der Mikroorganismen automatisch angepasst wird.In situ saccharification may be carried out with the addition of saccharifying enzymes as described above, or in the absence of such enzymes, since many microorganisms themselves are capable of metabolizing oligosaccharides. The dextrins are either taken up as such by the microorganism and metabolized or, after previous saccharification by strain-own saccharifying enzymes, eg. B. strain-specific glucoamylases, hydrolyzed and then metabolized. In the latter case, it is particularly advantageous that during fermentation the speed of saccharification, in particular of glucose release, is automatically adjusted to the requirements of the microorganisms on the one hand by the amount of biomass and on the other hand by the expression level of the strain's own saccharifying enzymes.
Vorteile der in-situ-Verzuckerung sind einerseits reduzierte Investitionskosten, andererseits kann durch eine retardierte Freisetzung der Glucose gegebenenfalls eine höhere Glucosekonzentration im Ansatz (Batch) vorgelegt werden, ohne dass eine Inhibierung oder Stoffwechseländerung der eingesetzten Mikroorganismen auftritt. Bei E. coli führt eine zu hohe Glucosekonzentration z. B. zur Bildung von organischen Säu- ren (Acetat), während Saccharomyces cerevisae in diesem Fall z. B. auf Vergärung umschaltet, obwohl in belüfteten Fermentern ausreichend Sauerstoff vorhanden ist (Crabtree-Effekt). Eine retardierte Freisetzung von Glucose ist durch die Regelung der Glucoamylasekonzentration einstellbar. Hierdurch können die vorgenannten Effekte unterdrückt werden und es kann mehr Substrat vorgelegt werden, so dass die aus dem zugeführten Feed-Strom resultierende Verdünnung reduziert werden kann.Advantages of in situ saccharification are on the one hand reduced investment costs, on the other hand, a higher glucose concentration in the batch (batch) may optionally be presented by a delayed release of glucose, without any inhibition or metabolism change of the microorganisms used. In E. coli leads to a high glucose concentration z. For example, to form organic acids (acetate), while Saccharomyces cerevisae in this case z. B. switches to fermentation, although in aerated fermenters sufficient oxygen is present (Crabtree effect). A delayed release of glucose is adjustable by controlling the glucoamylase concentration. As a result, the aforementioned effects can be suppressed and it can be submitted to more substrate, so that the resulting from the supplied feed stream dilution can be reduced.
Das nach Verflüssigung und ggf. durchgeführter Verzuckerung erhaltene wässrige Hydrolysat, d. h. das Medium M weist typischerweise einen Trockenmassegehalt von wenigstens 45 Gew.-%, häufig wenigstens 50 gew.-%, insbesondere wenigstens 55 Gew.-%, speziell wenigsten 60 Gew.-%, z. B. 45 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 50 bis 75 Gew.-%, insbesondere 55 bis 70 Gew.-% uns speziell 60 bis 70 Gew.-% auf. Dementsprechend weist das nach Hydrolyse erhaltene wässrige Medium M in der Regel eine Zuckerkonzentration, gerechnet als Glukoseäquivalente von mindestens 35 Gew.-%, häufig wenigstens 40 Gew.-%, insbesondere wenigstens 45 Gew.-%, spe- ziell wenigstens 50 Gew.-%, z. B. 35 bis 70 Gew.-%, insbesondere 40 bis 65 Gew.-%, insbesondere 45 bis 60 Gew.-% und speziell 50 bis 60 Gew.-% auf. bezogen auf das Gesamtgewicht des Mediums M auf.The aqueous hydrolyzate obtained after liquefaction and optionally carried out saccharification, ie the medium M typically has a dry matter content of at least 45 wt .-%, often at least 50 wt .-%, in particular at least 55 wt .-%, especially at least 60 wt. %, z. B. 45 to 80 wt .-%, preferably 50 to 75 wt .-%, in particular 55 to 70 wt .-% us specifically 60 to 70 wt .-% to. Accordingly, the aqueous medium M obtained after hydrolysis generally has a sugar concentration, calculated as glucose equivalents of at least 35% by weight, frequently at least 40% by weight, in particular at least 45% by weight, especially at least 50% by weight. %, z. B. 35 to 70 wt .-%, in particular 40 to 65 wt .-%, in particular 45 to 60 wt .-% and especially 50 to 60 wt .-% to. based on the total weight of the medium M.
Die in dem se erhaltenen Medium M enthaltenen Glukoseäquivalente liegen je nach Verfahrensführung in Form von Mono- oder Oligosacchariden, insbesondere Dextrinen vor. Hauptbestandteil sind typischerweise Monosaccharide wie Hexosen und Pentosen, z. B. Glucose, Fructose, Mannose, Galactose, Sorbose, Xylose, Arabinose und Ribose, insbesondere Glucose oder Oligosaccharide dieser Monosaccharide. Der Anteil an von Glucose verschiedenen Monosacchariden in freier Form bzw. als Bestand- teile der Oligosaccharide im Medium M kann abhängig von der verwendeten Stärkequelle und den darin enthaltenen nicht-stärkehaltigen Bestandteilen variieren und durch die Verfahrensführung, beispielsweise durch Aufschluss von Cellulosebestand- teilen durch Zusatz von Cellulasen, beeinflusst werden. Typischerweise liegt der Anteil an Glucose, in freier oder gebundener Form, unter den Glukoseäquivalenten des Me- diums M im Bereich von 50 bis 99 Gew.-%, insbesondere von 75 bis 97 Gew.-% und speziell von 80 bis 95 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Menge an Glukoseäquivalenten.Depending on the process procedure, the glucose equivalents contained in the medium M obtained are present in the form of monosaccharides or oligosaccharides, in particular dextrins. Main ingredient are typically monosaccharides such as hexoses and pentoses, z. As glucose, fructose, mannose, galactose, sorbose, xylose, arabinose and ribose, in particular glucose or oligosaccharides of these monosaccharides. The proportion of monosaccharides other than glucose in the free form or as constituents of the oligosaccharides in the medium M can vary depending on the starch source used and the non-starch-containing constituents contained therein and can be modified by the process, for example by digestion of cellulose components by addition of cellulases. Typically, the proportion of glucose, in free or bound form, among the glucose equivalents of the medium M is in the range from 50 to 99% by weight, in particular from 75 to 97% by weight and especially from 80 to 95% by weight. %, based on the total amount of glucose equivalents.
Das in Schritt iii) erhaltene wässrige Medium M wird erfindungsgemäß in Schritt iv) zur fermentativen Herstellung der gewünschten organischen Verbindung verwendet. Hierzu wird das Medium M einer Fermentation zugeführt, wo es zur Kultivierung der in der Fermentation eingesetzten Mikroorganismen dient. Die jeweilige organische Verbindung wird hierbei als flüchtiges oder nichtflüchtiges mikrobielles Stoffwechselprodukt erhalten.The aqueous medium M obtained in step iii) is used according to the invention in step iv) for the fermentative preparation of the desired organic compound. For this purpose, the medium M is fed to a fermentation, where it serves for culturing the microorganisms used in the fermentation. The respective organic compound is obtained here as a volatile or nonvolatile microbial metabolite.
In der Regel wird man das Dextrin-haltige Medium M auf Fermentationstemperatur, üblicherweise im Bereich von 32 bis 37 °C, abkühlen, bevor man es der Fermentation zuführt.In general, the dextrin-containing medium M to fermentation temperature, usually in the range of 32 to 37 ° C, cool before feeding it to the fermentation.
Das wässrige Dextrin-haltige Medium M kann vor der Fermentation gegebenenfalls sterilisiert werden, wobei man die Mikroorganismen in der Regel durch thermische oder chemische Verfahren abtötet. Hierzu heizt man das wässrige Medium M üblicherweise auf Temperaturen oberhalb 80 °C auf. Die Abtötung bzw. Lyse der Zellen kann unmittelbar vor der Fermentation erfolgen. Hierzu wird das gesamte Medium M der Lyse bzw. Abtötung zugeführt. Diese kann z. B. thermisch oder chemisch erfolgen. Es hat sich jedoch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens als nicht notwendig erwiesen, vor der Fermentation einen Sterilisierungsschritt wie hier beschrieben durchzuführen, sondern es hat sich vielmehr als vorteilhaft erwiesen, keinen solchen Sterilisierungsschritt durchzuführen. Dementsprechend betrifft eine bevorzugte Ausführungs- form der Erfindung ein Verfahren, bei dem das in Schritt iii) erhaltene Medium M unmittelbar, d. h. ohne vorherige Sterilisation, der Fermentation zugeführt wird. Bei der Fermentation erfolgt die Verstoffwechselung der im Medium enthaltenen Zucker. Sofern die im Medium enthaltenen Zucker in Form von Oligosacchariden, speziell in Form von Dextrinen, vorliegen, werden diese entweder als solche von dem Mikroor- ganismus oder nach vorheriger Verzuckerung durch zugesetzte oder Stamm-eigene verzuckernde Enzyme, insbesondere Glucoamylasen, aufgenommen und verstoff- wechselt. Sofern keine verzuckernden Enzyme zugesetzt werden und die im Medium enthaltenen Zucker in Form von Oligosacchariden, speziell Dextrinen vorliegen, erfolgt eine Verzuckerung der verflüssigten Stärkebestandteile parallel zur Verstoffwechse- lung des Zuckers, insbesondere des Monosaccharids Glucose, durch die Mikroorganismen.The aqueous dextrin-containing medium M can optionally be sterilized before fermentation, wherein the microorganisms are usually killed by thermal or chemical methods. For this purpose, the aqueous medium M is usually heated to temperatures above 80 ° C. The killing or lysis of the cells can take place immediately before the fermentation. For this purpose, the entire medium M of lysis or killing is supplied. This can, for. B. thermally or chemically. However, in the context of the method according to the invention, it has not proved necessary to carry out a sterilization step as described hereinbefore fermentation, but rather it has proven advantageous to perform no such sterilization step. Accordingly, a preferred embodiment of the invention relates to a process in which the medium M obtained in step iii) is fed directly, ie without prior sterilization, to the fermentation. Fermentation involves the metabolism of the sugars contained in the medium. If the sugars contained in the medium are in the form of oligosaccharides, especially in the form of dextrins, they are either taken up as such by the microorganism or after previous saccharification by added or strain-own saccharifying enzymes, in particular glucoamylases, and metabolised , If no saccharifying enzymes are added and the sugars contained in the medium are present in the form of oligosaccharides, especially dextrins, saccharification of the liquefied starch components takes place in parallel to the metabolization of the sugar, in particular the monosaccharide glucose, by the microorganisms.
Die Durchführung der Fermentation kann in der dem Fachmann bekannten üblichen Art und Weise erfolgen. Hierzu wird in man der Regel den jeweils gewünschten Mikro- Organismus in dem nach dem hier beschriebenen Verfahren erhaltenen Flüssigmedium kultivieren.The fermentation can be carried out in the usual manner known to the person skilled in the art. For this purpose, the desired microorganism will usually be cultured in the liquid medium obtained by the method described here.
Das Fermentationsverfahren kann sowohl diskontinuierlich (Batchfahrweise) als auch semikontinuierlich (Fed-Batch-Fahrweise, einschließlich Fedbatch mit Zwischenernten) betrieben werden, wobei die semikontinuierliche Fahrweise bevorzugt ist.The fermentation process can be operated both batchwise and semicontinuously (fed-batch mode, including fed-batch with intermediate harvesting), with the semi-continuous mode being preferred.
Beispielsweise kann man das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Medium M oder eine konventionelle Zuckerquelle, d. h. verstoffwechselbare Mono-, Di- und/oder Oligosaccharide oder Medien, die verstoffwechselbare Mono-, Di- und/oder Oligosaccharide enthalten, gegebenenfalls nach Verdünnen mit Wasser und Zugabe üblicher Medienbestandteile wie Puffer, Nährsalze, Stickstoffquellen wie Ammoniumsulfat, Harnstoff etc., komplexe Nährmedienbestandteile, enthaltend Aminosäuren, wie Hefeextrakte, Peptone, CSL und dergleichen, mit dem gewünschten Mikroorganismus inokulieren, und diesen unter Fermentationsbedingungen vermehren, bis die Mikroor- ganismenkonzentration den für die Fermentation gewünschten stationären Zustand erreicht. Hierbei wird der in dem Fermentationsmedium enthaltene Zucker verstoff- wechselt und das gewünschte Stoffwechselprodukt gebildet (so genannte Batchfahrweise oder Batchphase).For example, the medium M obtained by the process of the invention or a conventional sugar source, i. H. metabolizable mono-, di- and / or oligosaccharides or media containing metabolizable mono-, di- and / or oligosaccharides, optionally after dilution with water and addition of conventional media components such as buffers, nutrient salts, nitrogen sources such as ammonium sulfate, urea, etc., complex Nährmedienbestandteile containing amino acids, such as yeast extracts, peptones, CSL and the like, inoculate with the desired microorganism and multiply under fermentation conditions until the microorganism concentration reaches the steady state desired for the fermentation. Here, the sugar contained in the fermentation medium is metabolized and the desired metabolite is formed (so-called batch process or batch phase).
Bei der Fed-Batch-Fahrweise wird im Anschluss an die Batchphase, z. B. wenn dieIn the fed-batch mode, after the batch phase, z. B. if the
Gesamtzuckerkonzentration unter einen bestimmten Wert abgesunken ist, das Medium M kontinuierlich oder diskontinuierlich zu dem Fermentationsmedium gegeben.Total sugar concentration has fallen below a certain value, the medium M is added continuously or discontinuously to the fermentation medium.
Eine typische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Fed-Batch- Fahrweise, welche die folgenden Schritte umfasst: v) Kultivieren des zur Überproduktion der organischen Verbindung befähigten Mikroorganismus in einem wässrigen Fermentationsmedium F; undA typical embodiment of the method according to the invention is the fed-batch mode, which comprises the following steps: v) cultivating the microorganism capable of overproducing the organic compound in an aqueous fermentation medium F; and
vi) Zugabe des Mediums M zu dem Fermentationsmedium F, in welchem die im Medium M enthaltenen hydrolysierten Stärkebestandteile, d. h. die Zucker, durch die die organische Verbindung überproduzierenden Mikroorganismen unter Bildung der organischen Verbindung verstoffwechselt werden.vi) adding the medium M to the fermentation medium F, in which the hydrolyzed starch components contained in the medium M, d. H. the sugars by which the organic compound overproducing microorganisms are metabolized to form the organic compound.
In Schritt v) kann man beispielsweise zunächst ein herkömmliches zuckerhaltiges Me- dium, in der Regel eine Glucoselösung, durch Verdünnung mit einer wässrigen Flüssigkeit, insbesondere Wasser auf eine geeignete Zuckerkonzentration einstellen und die zur Fermentation üblichen Medienbestandteile wie Puffer, Nährsalze, Stickstoffquellen wie Ammoniumsulfat, Harnstoff etc., komplexe Nährmedienbestandteile, enthaltend Aminosäuren, wie Hefeextrakte, Peptone, CSL und dergleichen, zugeben. Hierbei wird man das Verhältnis von Zuckermenge zu Flüssigkeit in der Regel vorzugsweise so wählen, dass die Gesamtkonzentration an Monosacchariden im Fermentationsmedium F weniger als 6 Gew.-%, z. B. im Bereich von > 0 bis 5 Gew.-%, gerechnet als Glukoseäquivalente und bezogen auf das Gesamtgewicht des Fermentationsmediums F, beträgt. Das so angesetzte zuckerhaltige Batch-Medium wird mit dem gewünschten Mikroorganismus inokuliert und der Mikroorganismus im Batch-Medium (Fermentationsmedium F) unter Fermentationsbedingungen vermehrt, bis die Konzentration an Mikroorganismen einen für die Fermentation gewünschten stationären Zustand erreicht. Hierbei wird der in dem Fermentationsmedium F vorgelegte Zucker verstoffwechselt und das gewünschte Stoffwechselprodukt gebildet.In step v), for example, a conventional sugar-containing medium, usually a glucose solution, can be adjusted to a suitable sugar concentration by dilution with an aqueous liquid, in particular water, and the media components customary for fermentation, such as buffers, nutrient salts, nitrogen sources, such as ammonium sulfate, Urea, etc., complex nutrient media ingredients containing amino acids such as yeast extracts, peptones, CSL, and the like. In this case, the ratio of amount of sugar to liquid will usually be selected preferably such that the total concentration of monosaccharides in the fermentation medium F less than 6 wt .-%, z. B. in the range of> 0 to 5 wt .-%, calculated as glucose equivalents and based on the total weight of the fermentation medium F is. The sugar-containing batch medium thus prepared is inoculated with the desired microorganism and the microorganism in the batch medium (fermentation medium F) is increased under fermentation conditions until the concentration of microorganisms reaches a desired stationary state for the fermentation. In this case, the sugar introduced in the fermentation medium F is metabolized and the desired metabolite is formed.
Durch Zugabe gemäß Schritt vi) des wässrigen Mediums M zu dem Fermentationsmedium F wird der Fermentationsprozess aufrechterhalten und das vom Mikroorganismus überproduzierte Stoffwechselprodukt reichert sich in der Fermentationsbrühe an. Hierbei liegt das Volumenverhältnis von zugeführtem Medium M zu dem vorgeleg- ten und die Mikroorganismen enthaltenden Batch-Medium (Fermentationsmedium F) im Allgemeinen im Bereich von etwa 1 :10 bis 10:1 und vorzugsweise bei etwa 1 :5 bis 5:1 und speziell im Bereich von 1 :1 bis 5:1. Insbesondere über die Zufuhrgeschwindigkeit des zuckerhaltigen Flüssigmediums kann der Zuckergehalt in der Fermentationsbrühe reguliert werden. In der Regel wird man die Zufuhrgeschwindigkeit so einstellen, dass der Monosaccharidgehalt in der Fermentationsbrühe im Bereich von > 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% liegt und insbesondere einen Wert von 3 Gew.-% nicht überschreitet.By adding according to step vi) of the aqueous medium M to the fermentation medium F, the fermentation process is maintained and the metabolite overproduced by the microorganism accumulates in the fermentation broth. Here, the volume ratio of fed medium M to the present and containing the microorganisms batch medium (fermentation medium F) is generally in the range of about 1:10 to 10: 1 and preferably about 1: 5 to 5: 1 and especially in the range of 1: 1 to 5: 1. In particular, via the feed rate of the sugar-containing liquid medium, the sugar content in the fermentation broth can be regulated. As a rule, the feed rate will be adjusted such that the monosaccharide content in the fermentation broth is in the range from> 0% by weight to about 5% by weight, and in particular does not exceed a value of 3% by weight.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Fermentationsmedium F in Schritt v) (d. h. hier das Batch-Medium) im Wesentlichen das Medium M, die zur Überproduktion der organischen Verbindung befähigten Mikroorganismen, Nährsalze, übliche Hilfsstoffe wie Basen oder Puffer und gegebenenfalls Wasser zur Verdünnung. Hierzu wird man das Medium M gegebenenfalls auf die gewünschte Zuckerkonzentration verdünnen, z. B. im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-%, gerechnet als Glukoseäquivalente und bezogen auf das Gesamtgewicht des Mediums M, und dieses direkt zum Ansetzen des Fermentationsmediums F (Batch-Medium) verwenden.In a preferred embodiment, the fermentation medium F in step v) (ie here the batch medium) essentially comprises the medium M, the microorganisms capable of overproduction of the organic compound, nutrient salts, customary Excipients such as bases or buffers and optionally water for dilution. For this purpose, the medium M is optionally diluted to the desired sugar concentration, z. B. in the range of 0.1 to 10 wt .-%, calculated as glucose equivalents and based on the total weight of the medium M, and this directly for preparing the fermentation medium F (batch medium) use.
Der Zuckergehalt des zur Aufrechterhaltung der Fermentation eingesetzten Dextrinhal- tigen Mediums gemäß Schritt vi), liegt üblicherweise höher, z. B. in den o. g. Bereichen, um die Verdünnung des Fermentationsmediums F zu minimieren.The sugar content of the dextrin-containing medium used to maintain the fermentation according to step vi), is usually higher, z. B. in the o. G. Areas to minimize the dilution of the fermentation medium F.
Vorzugsweise wird man so vorgehen, dass man ein wässriges Medium M mit einer höheren Zuckerkonzentration, z. B. mindestens 40 Gew.-%, speziell mindestens 45 Gew.-% und ganz speziell mindestens 50 Gew.-%, gerechnet als Glukoseäquivalente und bezogen auf das Gesamtgewicht des wässrigen Mediums M, herstellt. Die- ses Medium M verwendet man dann einerseits gemäß Schritt v) nach Verdünnung mit Wasser zum Ansetzen des Batch-Mediums (Fermentationsmedium F) und andererseits gemäß Schritt vi) zur Zugabe zu dem Fermentationsmedium F.Preferably, one will proceed so that an aqueous medium M with a higher sugar concentration, z. B. at least 40 wt .-%, especially at least 45 wt .-% and especially at least 50 wt .-%, calculated as glucose equivalents and based on the total weight of the aqueous medium M produces. This medium M is then used on the one hand according to step v) after dilution with water to prepare the batch medium (fermentation medium F) and on the other hand according to step vi) for addition to the fermentation medium F.
Es versteht sich, dass erfindungsgemäß in der Batchphase und/oder in der Fed- Batchphase die Hauptmenge, vorzugsweise wenigstens 60 Gew.-%, insbesondere wenigstens 70 Gew.-% des in der Fermentation eingesetzten zu verstoffwechselnden Zuckers aus dem Medium M stammen. In einer Ausführungsform der Erfindung stammt ein Teil, z. B. 1 bis 50 Gew.-%, insbesondere 5 bis 40 Gew.-% und speziell 10 bis 30 Gew.-% des in der Fermentation eingesetzten zu verstoffwechselnden Zuckers aus konventionellen Zuckerquellen. Zu den konventionellen Zuckerquellen zählen Mono- und Disaccharide wie Glucose und Saccharose aber auch Medien, die verstoffwech- selbare Mono-, Di- und/oder Oligosaccharide in einer Konzentration von wenigstens 50 Gew.-% enthalten und die im Wesentlichen frei sind von in Wasser unlöslichen Feststoffen, beispielsweise Glucosesirupe, Saccharosesirupe, Dicksäfte, Maltosesiru- pe, Dextrinsirupe aber auch Abfallprodukte der Zuckerherstellung (Melassen), insbesondere Melassen aus der Rübenzuckerherstellung aber auch Melassen aus der Rohrzuckerherstellung.It is understood that according to the invention in the batch phase and / or in the fed batch phase, the main amount, preferably at least 60 wt .-%, in particular at least 70 wt .-% of the used in the fermentation to be metabolized sugar from the medium M. In one embodiment of the invention, a part, e.g. B. 1 to 50 wt .-%, in particular 5 to 40 wt .-% and especially 10 to 30 wt .-% of the used in the fermentation to be metabolized sugar from conventional sugar sources. The conventional sugar sources include mono- and disaccharides such as glucose and sucrose, but also media containing metabolizable mono-, di- and / or oligosaccharides in a concentration of at least 50% by weight and which are substantially free of water insoluble solids, for example glucose syrups, sucrose syrups, thick juices, maltose syrup, dextrin syrups, but also waste products of sugar production (molasses), in particular molasses from beet sugar production but also molasses from cane sugar production.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können flüchtige und nichtflüchtige, insbeson- dere nichtflüchtige mikrobielle Stoffwechselprodukte mit mindestens 3 C-Atomen oder mit mindestens 2 C-Atomen und 1 N-Atom fermentativ hergestellt werden.By the method according to the invention, volatile and non-volatile, in particular non-volatile, microbial metabolites having at least 3 C atoms or having at least 2 C atoms and 1 N atom can be produced by fermentation.
Hierbei werden unter nichtflüchtigen Produkten solche Verbindungen verstanden, die sich auf destillativem Weg nicht unzersetzt aus der Fermentationsbrühe gewinnen las- sen. Diese Verbindungen weisen in der Regel einen Siedepunkt oberhalb des Siedepunktes von Wasser, häufig oberhalb 150 °C und insbesondere oberhalb 200 °C bei Normaldruck auf. In der Regel handelt es sich um Verbindungen, die bei Normalbedingungen (298 K, 101 ,3 kPa) in festem Zustand vorliegen.Non-volatile products are understood as meaning those compounds which can not be obtained from the fermentation broth by distillation by distillation. These compounds generally have a boiling point above the boiling point of water, often above 150 ° C and especially above 200 ° C. Normal pressure on. They are usually compounds that are solid under normal conditions (298 K, 101, 3 kPa).
Es ist jedoch auch möglich, das wässrige Medium M in einer Fermentation zur Herstel- lung nichtflüchtiger mikrobieller Stoffwechselprodukte einzusetzen, die bei Normaldruck einen Schmelzpunkt unterhalb des Siedepunktes von Wasser oder/und eine ölige Konsistenz aufweisen.However, it is also possible to use the aqueous medium M in a fermentation for the production of nonvolatile microbial metabolites which have a melting point below the boiling point of water or / and an oily consistency at atmospheric pressure.
Der Begriff nichtflüchtige mikrobielle Stoffwechselprodukte umfasst hierin insbesondere organische, gegebenenfalls 1 oder mehrere, z. B. 1 , 2, 3 oder 4 Hydroxylgruppen tragende Mono-, Di- und Tricarbonsäuren mit vorzugsweise 3 bis 10 C-Atomen, z. B. Weinsäure, Itaconsäure, Bernsteinsäure, Propionsäure, Milchsäure, 3-Hydroxypropionsäure, Fumarsäure, Maleinsäure, 2,5-Furandicarbonsäure, Glutar- säure, Lävulinsäure, Gluconsäure, Aconitsäure und Diaminopimelinsäure, Zitronensäu- re; proteinogene und nicht-proteinogene Aminosäuren, z. B. Lysin, Glutamat, Methio- nin, Phenylalanin, Asparaginsäure, Tryptophan und Threonin; Purin- und Pyrimidinba- sen; Nukleoside und Nukleotide, z. B. Nikotinamidadenindinukleotid (NAD) und Adeno- sin-5'-monophosphat (AMP); Lipide; gesättigte und ungesättigte Fettsäuren mit vorzugsweise 10 bis 22 C-Atomen, z. B. γ-Linolensäure, Dihomo-γ-Linolensäure, Arachi- donsäure, Eicosapentaensäure und Docosahexaensäure; Diole mit vorzugsweise 3 bis 8 C-Atomen, z. B. Propandiol und Butandiol; mehrwertige (auch bezeichnet als höher- wertige) Alkohole mit 3 oder mehr, z. B. 3, 4, 5 oder 6 OH-Gruppen, z. B. Glycerin, Sorbitol, Manitol, Xylitol und Arabinitol; langkettige (auch bezeichnet als längerkettige) Alkohole mit wenigstens 4 C-Atomen, z. B. mit 4 bis 22 C-Atomen, z. B. Butanol; Koh- lenhydrate, z. B. Hyaluronsäure und Trehalose; aromatische Verbindungen, z. B. aromatische Amine, Vanillin und Indigo; Vitamine und Provitamine, z. B. Ascorbinsäure, Vitamin B6, Vitamin B12 und Riboflavin, Cofaktoren und so genannte Nutrazeutika; Proteine, z. B. Enzyme wie Amylasen, Pektinasen, saure, hybride oder neutrale ZeIIuIa- sen, Esterasen wie Lipasen, Pankreasen, Proteasen, Xylanasen und Oxidoreduktasen wie Laccase, Katalase und Peroxidase, Glucanasen, Phytasen; Carotenoide, z. B. Ly- copin, ß-Carotin, Astaxanthin, Zeaxanthin und Canthaxanthin; Ketone mit vorzugsweise 3 bis 10 C-Atomen und gegebenenfalls 1 oder mehreren Hydroxylgruppen, z. B. Aceton und Acetoin; Lactone, z. B. γ-Butyrolacton, Cyclodextrine, Biopolymere, z. B. Polyhydroxyacetat, Polyester, z. B. Polylactid, Polysaccharide, Polyisoprenoide, PoIy- amide; sowie Vorstufen und Derivate der vorgenannten Verbindungen. Weitere als nichtflüchtige mikrobielle Stoffwechselprodukte in Frage kommende Verbindungen sind von Gutcho in Chemicals by Fermentation, Noyes Data Corporation (1973), ISBN: 0818805086 beschrieben.The term nonvolatile microbial metabolites herein includes, in particular, organic, optionally 1 or more, e.g. B. 1, 2, 3 or 4 hydroxyl-bearing mono-, di- and tricarboxylic acids having preferably 3 to 10 carbon atoms, for. Tartaric, itaconic, succinic, propionic, lactic, 3-hydroxypropionic, fumaric, maleic, 2,5-furandicarboxylic, glutaric, levulinic, gluconic, aconitic and diaminopimelic acids, citric acid; proteinogenic and non-proteinogenic amino acids, e.g. Lysine, glutamate, methionine, phenylalanine, aspartic acid, tryptophan and threonine; Purine and pyrimidine bases; Nucleosides and nucleotides, e.g. Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) and adenosine 5'-monophosphate (AMP); lipids; saturated and unsaturated fatty acids having preferably 10 to 22 carbon atoms, e.g. Gamma-linolenic acid, dihomo-gamma-linolenic acid, arachidonic acid, eicosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid; Diols having preferably 3 to 8 C atoms, for. For example, propanediol and butanediol; polyhydric (also referred to as higher) alcohols with 3 or more, eg. B. 3, 4, 5 or 6 OH groups, for. Glycerol, sorbitol, mannitol, xylitol and arabinitol; long-chain (also referred to as longer-chain) alcohols having at least 4 carbon atoms, eg. B. with 4 to 22 carbon atoms, z. B. butanol; Carbohydrates, eg. Hyaluronic acid and trehalose; aromatic compounds, e.g. Aromatic amines, vanillin and indigo; Vitamins and provitamins, eg. As ascorbic acid, vitamin B 6 , vitamin B 12 and riboflavin, cofactors and so-called nutraceuticals; Proteins, e.g. Enzymes such as amylases, pectinases, acidic, hybrid or neutral cells, esterases such as lipases, pancreases, proteases, xylanases and oxidoreductases such as laccase, catalase and peroxidase, glucanases, phytases; Carotenoids, z. Lycopin, beta-carotene, astaxanthin, zeaxanthin and canthaxanthin; Ketones having preferably 3 to 10 carbon atoms and optionally 1 or more hydroxyl groups, for. Acetone and acetoin; Lactones, e.g. Gamma-butyrolactone, cyclodextrins, biopolymers, e.g. B. polyhydroxyacetate, polyester, z. Polylactide, polysaccharides, polyisoprenoids, polyamides; as well as precursors and derivatives of the aforementioned compounds. Other compounds of interest as nonvolatile microbial metabolites are described by Gutcho in Chemicals by Fermentation, Noyes Data Corporation (1973), ISBN: 0818805086.
Der Begriff "Cofaktor" umfasst nicht-proteinartige Verbindungen, die für das Auftreten einer normalen Enzymaktivität nötig sind. Diese Verbindungen können organisch oder anorganisch sein; die erfindungsgemäßen Cofaktor-Moleküle sind vorzugsweise organisch. Beispiele solcher Moleküle sind NAD und Nikotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP); die Vorstufe dieser Cofaktoren ist Niacin.The term "cofactor" includes non-proteinaceous compounds that are necessary for the occurrence of normal enzyme activity. These compounds can be organic or be inorganic; the cofactor molecules of the invention are preferably organic. Examples of such molecules are NAD and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP); The precursor of these cofactors is niacin.
Der Begriff "Nutrazeutikum" umfasst Nahrungsmittelzusätze, die bei Pflanzen und Tieren, insbesondere dem Menschen, gesundheitsfördernd sind. Beispiele solcher Moleküle sind Vitamine, Antioxidantien und bestimmte Lipide, z. B. mehrfach ungesättigte Fettsäuren.The term "nutraceutical" includes food additives that are beneficial to the health of plants and animals, especially humans. Examples of such molecules are vitamins, antioxidants and certain lipids, e.g. B. polyunsaturated fatty acids.
Insbesondere sind die hergestellten Stoffwechselprodukte unter Enzymen, Aminosäuren, Vitaminen, Disacchariden, aliphatischen Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 10 C-Atomen, aliphatischen Hydroxycarbonsäuren mit 3 bis 10 C-Atomen, Ketonen mit 3 bis 10 C-Atomen, Alkanolen mit 4 bis 10 C-Atomen und Alkandiolen mit 3 bis 10 und insbesondere 3 bis 8 C-Atomen ausgewählt.In particular, the metabolites produced under enzymes, amino acids, vitamins, disaccharides, aliphatic mono- and dicarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms, aliphatic hydroxycarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms, ketones having 3 to 10 carbon atoms, alkanols having 4 to 10 C atoms and alkanediols having 3 to 10 and in particular 3 to 8 carbon atoms selected.
Es versteht sich für den Fachmann, dass die derart auf fermentativem Weg hergestellten Verbindungen jeweils in der von den eingesetzten Mikroorganismen produzierten Enantiomerenform erhalten werden (sofern unterschiedliche Enantiomere existieren). So erhält man z. B. von den Aminosäuren in der Regel das jeweilige L-Enantiomer.It is obvious to a person skilled in the art that the compounds produced in this way by fermentation are in each case obtained in the enantiomeric form produced by the microorganisms used (if different enantiomers exist). So you get z. B. of the amino acids usually the respective L-enantiomer.
Die in der Fermentation eingesetzten Mikroorganismen richten sich in an sich bekannter Weise nach den jeweiligen mikrobiellen Stoffwechselprodukten, wie unten im Einzelnen erläutert. Sie können natürlichen Ursprungs oder genetisch modifiziert sein. Beispiele für geeignete Mikroorganismen und Fermentationsverfahren sind z. B. in Ta- belle A angegeben.The microorganisms used in the fermentation depend in a manner known per se on the respective microbial metabolites, as explained in detail below. They may be of natural origin or genetically modified. Examples of suitable microorganisms and fermentation processes are, for. In table A, for example.
Tabelle A:Table A:
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die hergestellte organische Verbindung unter gegebenenfalls Hydroxylgruppen tragenden Mono-, Di- und Tricarbon- säuren mit 3 bis 10 C-Atomen, proteinogenen und nicht-proteinogenen Aminosäuren, Purinbasen, Pyrimidinbasen; Nukleosiden, Nukleotiden, Lipiden; gesättigten und ungesättigten Fettsäuren; Diolen mit 4 bis 10 C-Atomen, mehrwertigen Alkoholen mit 3 oder mehr Hydroxylgruppen, längerkettigen Alkoholen mit wenigstens 4 C-Atomen, Kohlenhydraten, aromatischen Verbindungen, Vitaminen, Provitaminen, Cofaktoren, Nutra- zeutika, Proteinen, Carotenoiden, Ketonen mit 3 bis 10 C-Atomen, Lactonen, Biopolymeren und Cyclodextrinen ausgewählt.In preferred embodiments of the invention, the organic compound prepared is optionally mono-, di- and tricarboxylic acids bearing 3 to 10 carbon atoms, proteinogenic and non-proteinogenic amino acids, purine bases, pyrimidine bases; Nucleosides, nucleotides, lipids; saturated and unsaturated fatty acids; Diols having 4 to 10 C atoms, polyhydric alcohols having 3 or more hydroxyl groups, longer-chain alcohols having at least 4 C atoms, carbohydrates, aromatic compounds, vitamins, provitamins, cofactors, nutraceuticals, proteins, carotenoids, ketones of 3 to 10 C atoms, lactones, biopolymers and cyclodextrins selected.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft den Einsatz des erfindungsgemäß erhältlichen zuckerhaltigen Flüssigmediums in einer fermentativen Herstellung von Enzymen wie Phytasen, Xylanasen oder Glucanasen.A first preferred embodiment of the invention relates to the use of the sugar-containing liquid medium obtainable according to the invention in a fermentative production of enzymes such as phytases, xylanases or glucanases.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft den Einsatz des erfindungsgemäß erhältlichen zuckerhaltigen Flüssigmediums in einer fermentativen Herstellung von Aminosäuren wie Lysin, Methionin, Threonin und Glutamat Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft den Einsatz des erfindungsgemäß erhältlichen zuckerhaltigen Flüssigmediums in einer fermentativen Herstellung von Vitaminen wie Pantothensäure und Riboflavin, Vorläufern und Folgeprodukten davon.A second preferred embodiment of the invention relates to the use of the sugar-containing liquid medium obtainable according to the invention in a fermentative production of amino acids such as lysine, methionine, threonine and glutamate A further preferred embodiment of the invention relates to the use of the sugar-containing liquid medium obtainable according to the invention in a fermentative preparation of vitamins such as pantothenic acid and riboflavin, precursors and secondary products thereof.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betreffen den Einsatz des erfindungsgemäß erhältlichen zuckerhaltigen Flüssigmediums in einer fermentativen Herstellung vonFurther preferred embodiments of the invention relate to the use of the sugar-containing liquid medium obtainable according to the invention in a fermentative production of
- Mono-, Di- und Tricarbonsäuren, insbesondere aliphatischen Mono- und Dicar- bonsäuren mit 3 bis 10 C-Atomen wie Propionsäure, Fumarsäure und Bernsteinsäure, aliphatischen Hydroxycarbonsäuren mit 3 bis 10 C-Atomen wie Milchsäure; längerkettigen Alkanolen wie zuvor genannt, insbesondere Alkanolen mit 4 bis 10 C-Atomen wie Butanol;- Mono-, di- and tricarboxylic acids, in particular aliphatic mono- and dicarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms such as propionic acid, fumaric acid and succinic acid, aliphatic hydroxycarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms such as lactic acid; longer-chain alkanols as mentioned above, in particular alkanols having 4 to 10 C atoms, such as butanol;
Diolen wie zuvor genannt, insbesondere Alkandiolen mit 3 bis 10 und insbesondere 3 bis 8 C-Atomen wie Propandiol;Diols as mentioned above, in particular alkanediols having 3 to 10 and in particular 3 to 8 C atoms, such as propanediol;
Ketonen wie zuvor genannt, insbesondere Ketonen mit 3 bis 10 C-Atomen wie Aceton; und - Kohlehydraten wie zuvor genannt, insbesondere Disacchariden wie Trehalose.Ketones as mentioned above, in particular ketones having 3 to 10 carbon atoms, such as acetone; and - carbohydrates as mentioned above, in particular disaccharides such as trehalose.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fermentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwechselprodukt um Po- lyhydroxyalkanoate wie Poly-3-hydroxybutyrat und Copolyester mit anderen organi- sehen Hydroxycarbonsäuren wie 3-Hydroxyvaleriansäure, 4-Hydroxybuttersäure und anderen, die in Steinbüchel (a.a.O.) beschrieben sind, z. B. auch langkettige (auch bezeichnet als längerkettige) Hydroxycarbonsäuren wie 3-Hydroxyoctansäure, 3-Hydroxydecansäure und 3-Hydroxytetradecansäure, sowie Mischungen davon. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehenswei- sen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in S. Y. Lee, Plastic Bacteria Progress and prospects for polyhydroxyalkanoate produetion in bacteria, Tibtech, Bd. 14, (1996), S. 431-438.In a further particularly preferred embodiment, the metabolic product produced in the fermentation by the microorganisms is polyhydroxyalkanoates such as poly-3-hydroxybutyrate and copolyester with other organic hydroxycarboxylic acids such as 3-hydroxyvaleric acid, 4-hydroxybutyric acid and others which are described in US Pat Steinbüchel (loc. Cit.) Are described, for. As well as long-chain (also referred to as longer-chain) hydroxycarboxylic acids such as 3-hydroxyoctanoic acid, 3-hydroxydecanoic acid and 3-hydroxytetradecanoic acid, and mixtures thereof. To carry out the fermentation, analogous conditions and procedures can be used here, as have been described for other carbon sources, eg. See, for example, S. Y. Lee, Plastic Bacteria Progress and Prospects for Polyhydroxyalkanoate Production in Bacteria, Tibtech, Vol. 14, (1996), pp. 431-438.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die in der Fermentation eingesetzten Mik- roorganismen daher ausgewählt unter natürlichen oder rekombinanten Mikroorganismen, die wenigstens eines der folgenden Stoffwechselprodukte überproduzieren:In a preferred embodiment, the microorganisms used in the fermentation are therefore selected from natural or recombinant microorganisms which overproduce at least one of the following metabolic products:
Enzyme wie Phytase, Xylanase oder Glucanase; Aminosäuren wie Lysin, Threonin oder Methionin; - Vitamine wie Pantothensäure und Riboflavin; Vorläufer und/oder Folgeprodukte davon; Disaccharide wie Trehalose; aliphatische Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 10 C-Atomen wie Propionsäure, Fumarsäure und Bernsteinsäure; aliphatische Hydroxycarbonsäuren mit 3 bis 10 C-Atomen wie Milchsäure; - Polyhydroxyalkanoate wie Poly-3-hydroxybutyrat und Copolyester derEnzymes such as phytase, xylanase or glucanase; Amino acids such as lysine, threonine or methionine; - vitamins such as pantothenic acid and riboflavin; Precursors and / or derivatives thereof; Disaccharides such as trehalose; aliphatic mono- and dicarboxylic acids having 3 to 10 C atoms, such as propionic acid, fumaric acid and succinic acid; aliphatic hydroxycarboxylic acids having 3 to 10 C atoms such as lactic acid; Polyhydroxyalkanoates such as poly-3-hydroxybutyrate and copolyester of
3-Hydroxybuttersäure;3-hydroxybutyric acid;
Ketone mit 3 bis 10 C-Atomen wie Aceton;Ketones with 3 to 10 carbon atoms, such as acetone;
Alkanole mit 4 bis 10 C-Atomen wie Butanol; und Alkandiole mit 3 bis 8Alkanols having 4 to 10 C atoms, such as butanol; and alkandiols with 3 to 8
C-Atomen wie Propandiol.C atoms such as propanediol.
Geeignete Mikroorganismen sind üblicherweise ausgewählt unter den Gattungen Co- rynebacterium, Bacillus, Ashbya, Escherichia, Aspergillus, Alcaligenes, Actinobacillus, Anaerobiospirillum, Lactobacillus, Propionibacterium, Rhizopus und Clostridium, insbesondere unter Stämmen von Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, Ashbya gossypii, Escherichia coli, Aspergillus niger oder Alcaligenes latus, Anaerobiospirillum succiniproducens, Actinobacillus succinogenes, Lactobacillus delbrückii, Lactobacillus leichmannii, Propionibacterium arabinosum, Propionibacterium schermanii, Propionibacterium freudenreichii, Clostridium propionicum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium acetobutylicum, Rhizopus arrhizus und Rhizopus oryzae.Suitable microorganisms are usually selected from the genera Corynebacterium, Bacillus, Ashbya, Escherichia, Aspergillus, Alcaligenes, Actinobacillus, Anaerobiospirillum, Lactobacillus, Propionibacterium, Rhizopus and Clostridium, in particular from strains of Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, Ashbya gossypii, Escherichia coli, Aspergillus niger or Alcaligenes latus, Anaerobiospirillum succiniproducens, Actinobacillus succinogenes, Lactobacillus delbrückii, Lactobacillus leichmannii, Propionibacterium arabinosum, Propionibacterium schermanii, Propionibacterium freudenreichii, Clostridium propionicum, Clostridium formicoaceticum, Clostridium acetobutylicum, Rhizopus arrhizus and Rhizopus oryzae.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fermentation eingesetzten Mikroorganismus um einen Stamm aus der Gattung Corynebacterium, insbesondere um einen Stamm des Corynebacterium glutamicum. Insbesondere handelt es sich um einen Stamm der Gattung Corynebacterium, speziell des Corynebacte- rium glutamicum, welcher eine Aminosäure, speziell Lysin, Methionin oder Glutamat überproduziert.In a preferred embodiment, the microorganism used in the fermentation is a strain of the genus Corynebacterium, in particular a strain of Corynebacterium glutamicum. In particular, it is a strain of the genus Corynebacterium, especially of the Corynebacterium glutamicum, which overproduces an amino acid, especially lysine, methionine or glutamate.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fermentation eingesetzten Mikroorganismus um einen Stamm aus der Gattung Escheri- chia, insbesondere um einen Stamm des Escherichia coli. Insbesondere handelt es sich um einen Stamm der Gattung Escherichia, speziell des Escherichia coli, welcher eine Aminosäure, speziell Lysin, Methionin oder Threonin überproduziert.In a further preferred embodiment, the microorganism used in the fermentation is a strain of the genus Escherichia, in particular a strain of Escherichia coli. In particular, it is a strain of the genus Escherichia, especially of Escherichia coli, which overproduces an amino acid, especially lysine, methionine or threonine.
In einer speziellen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fer- mentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwechselprodukt um Lysin. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehensweisen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in Pfefferle et al., a.a.O., und US 3,708,395. Prinzipiell kommen sowohl eine kontinuierliche als auch eine diskontinuierliche (Batch oder Fed-Batch) Betriebsweise in Betracht, bevorzugt ist die Fed-Batch Betriebsweise. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fermentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwechselprodukt um Methionin. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehensweisen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen be- schrieben wurden, z. B. in WO 03/087386 und WO 03/100072.In a specific preferred embodiment, the metabolite produced by the microorganisms in the fermentation is lysine. To carry out the fermentation analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In Pfefferle et al., Supra, and U.S. 3,708,395. In principle, both a continuous and a batch (batch or fed-batch) mode of operation into consideration, preferred is the fed-batch mode of operation. In a further particularly preferred embodiment, the metabolic product produced by the microorganisms in the fermentation is methionine. To carry out the fermentation, analogous conditions and procedures as described for other carbon sources can be used here, eg. In WO 03/087386 and WO 03/100072.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fermentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwechselprodukt um Pan- tothensäure. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehensweisen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in der WO 01/021772.In a further particularly preferred embodiment, the metabolic product produced by the microorganisms in the fermentation is tartaric acid. To carry out the fermentation analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In WO 01/021772.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fermentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwechselprodukt um Ri- boflavin. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehensweisen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in WO 01/011052, DE 19840709, WO 98/29539, EP 1186664 und Fujioka, K.: New biotechnology for riboflavin (vitamin B2) and character of this ri- boflavin. Fragrance Journal (2003), 31 (3), 44-48.In a further particularly preferred embodiment, the metabolite produced by the microorganisms in the fermentation is riboflavin. To carry out the fermentation analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In WO 01/011052, DE 19840709, WO 98/29539, EP 1186664 and Fujioka, K .: New biotechnology for riboflavin (vitamin B2) and character of this riboflavin. Fragrance Journal (2003), 31 (3), 44-48.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fermentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwechselprodukt um Fu- marsäure. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehensweisen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen be- schrieben wurden, z. B. in Rhodes et al, Production of Fumaric Acid in 20-L Fermen- tors, Applied Microbiology, 1962, 10 (1 ), 9-15.In a further particularly preferred embodiment, the metabolic product produced by the microorganisms in the fermentation is fumaric acid. To carry out the fermentation, analogous conditions and procedures as described for other carbon sources can be used here, eg. In Rhodes et al., Production of Fumaric Acid in 20-L Fermentors, Applied Microbiology, 1962, 10 (1), 9-15.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fermentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwechselprodukt um Bernsteinsäure. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehensweisen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in Int. J. Syst. Bacteriol. 26, 498 -504 (1976); EP 249773 (1987), Erf.: Lemme u. Datta; US 5504004 (1996), Erf.: Guettler, Jain u. Soni; Arch. Microbiol. 167, 332 -342 (1997); Guettler MV, Rumler D, Jain MK., Actinobacillus suc- cinogenes sp. nov., a novel succinic-acid-producing strain from the bovine rumen. Int J Syst Bacteriol. 1999 Jan; 49 Pt 1 :207-16; US 5,723,322, US 5,573,931 , US 5,521 ,075, WO 99/06532, US 5,869,301 oder US 5,770,435.In a further particularly preferred embodiment, the metabolite produced by the microorganisms in the fermentation is succinic acid. To carry out the fermentation analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In Int. J. Syst. Bacteriol. 26, 498-504 (1976); EP 249773 (1987), invent .: Lemme et al. Datta; US 5504004 (1996), invent .: Guettler, Jain et al. Soni; Arch. Microbiol. 167, 332-342 (1997); Guettler MV, Rumler D, Jain MK., Actinobacillus succinogenes sp. nov., a novel succinic-acid-producing strain from the bovine rumen. Int J Syst Bacteriol. 1999 Jan; 49 Pt 1: 207-16; US 5,723,322, US 5,573,931, US 5,521,075, WO 99/06532, US 5,869,301 or US 5,770,435.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem in der Fermentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwechselprodukt um eine Phytase. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehensweisen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in der WO 98/55599.In a further particularly preferred embodiment, the metabolic product produced by the microorganisms in the fermentation is a phytase. To carry out the fermentation here analogous conditions and Procedures described for other carbon sources, e.g. In WO 98/55599.
Bei der Fermentation resultiert eine Fermentationsbrühe, die neben dem gewünschten mikrobiellen Stoffwechselprodukt im Wesentlichen die während der Fermentation erzeugte Biomasse, die nicht verstoffwechselten Bestandteile der verflüssigten Stärkelösung und insbesondere die nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle, wie z. B. Fasern und nicht verwertete Zucker, sowie nicht verwertete Puffer- und Nährsalze enthält. Dieses Flüssigmedium wird in der vorliegenden Anmeldung auch als Fermentationsbrühe bezeichnet, wobei die Fermentationsbrühe auch das zugegebene Dextrin-haltige Medium (1 ) umfasst, bei dem eine erst teilweise oder unvollständige fermentative Umsetzung der darin enthaltenen Zucker, d. h. eine teilweise oder unvollständige mikrobielle Verstoffwechselung der verwertbaren Zucker (z. B. Mono- und Di- saccharide), erfolgt ist.The fermentation results in a fermentation broth, in addition to the desired microbial metabolite essentially the biomass produced during the fermentation, the non-metabolised components of the liquefied starch solution and in particular the non-starchy solid components of the starch source, such as. As fibers and unused sugar, and unused buffer and nutrient salts contains. This liquid medium is also referred to in the present application as a fermentation broth, wherein the fermentation broth also comprises the added dextrin-containing medium (1), in which a partially or incomplete fermentative conversion of the sugars contained therein, d. H. partial or incomplete microbial metabolism of the usable sugars (eg mono- and disaccharides) has taken place.
Vor der Isolierung oder Abreicherung eines mikrobiellen Stoffwechselprodukts oder Abtrennung der flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe, wird gegebenenfalls ein Sterilisierungsschritt in der oben beschriebenen Weise durchgeführt.Before isolation or depletion of a microbial metabolite or separation of the volatile constituents of the fermentation broth, a sterilization step is optionally carried out in the manner described above.
Eine spezielle Ausführungsform (I) der Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem man wenigstens ein mikrobielles Stoffwechselprodukt aus der Fermentationsbrühe abreichert oder isoliert. Die flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe werden anschließend weitgehend entfernt, wobei man eine feste oder halbfeste Proteinzusammensetzung erhält. Eine genauere Beschreibung zur Durchführung eines solchen Ver- fahrens und der dabei erhaltenen Proteinzusammensetzung ist Gegenstand derA specific embodiment (I) of the invention relates to a process in which at least one microbial metabolite is depleted or isolated from the fermentation broth. The volatiles of the fermentation broth are then substantially removed to yield a solid or semi-solid protein composition. A more detailed description of how to carry out such a process and the resulting protein composition is the subject of
WO 2005/116228 (PCT/EP2005/005728) der Anmelderin, auf die bezüglich weiterer Details Bezug genommen wird.WO 2005/116228 (PCT / EP2005 / 005728) of the Applicant, to which reference is made for further details.
Die Isolierung oder Abreicherung des Stoffwechselprodukts aus der Fermentationsbrü- he, d. h. der organischen Verbindung mit wenigstens 3 C-Atomen oder wenigstens 2 C-Atomen und wenigstens einen N-Atom (im folgenden auch Wertprodukt), erfolgt in der Regel derart, dass man wenigstens ein Stoffwechselprodukt so aus der Fermentationsbrühe abreichert oder isoliert, dass der Gehalt dieses Stoffwechselprodukts in der verbleibenden Fermentationsbrühe höchstens 20 Gew.-%, insbesondere höchstens 10 Gew.-%, speziell höchstens 5 Gew.-% und ganz speziell höchstens 2,5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der verbleibenden Fermentationsbrühe, beträgt.The isolation or depletion of the metabolite from the fermentation broth, d. H. The organic compound having at least 3 C atoms or at least 2 C atoms and at least one N-atom (hereinafter also desired product) is generally carried out in such a way that at least one metabolic product depleted or isolated from the fermentation broth that the content this metabolic product in the remaining fermentation broth at most 20 wt .-%, in particular at most 10 wt .-%, especially at most 5 wt .-% and especially at most 2.5 wt .-%, each based on the total weight of the remaining fermentation broth is ,
Die Isolierung oder Abreicherung des mikrobiellen Stoffwechselprodukts aus der Fer- mentationsbrühe kann in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Ein wesentlicher Schritt dabei ist die Abtrennung der festen Bestandteile aus der Fermentationsbrühe. Diese kann entweder vor oder nach der Isolierung des Wertprodukts durchgeführt werden. Sowohl zur Isolierung von Wertstoffen als auch zur Abtrennung von Feststoffen, d. h. Fest-Flüssig-Phasenseparation, sind im Fachgebiet übliche Methoden bekannt, die auch Schritte zur Grob- und Feinreinigung der Wertstoffe sowie zur Konfektionie- rung umfassen (z. B. beschrieben in Belter, P. A, Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology, John Wiley & Sons (1988), und Ullmann's Encyclopedia of In- dustrial Chemistry, 5. Aufl. auf CD-ROM, Wiley-VCH).The isolation or depletion of the microbial metabolite from the fermentation broth can be done in one or more steps. An essential step here is the separation of the solid constituents from the fermentation broth. This can be carried out either before or after the isolation of the desired product. Both for the isolation of recyclable materials and for the separation of solids, ie solid-liquid phase separation, conventional methods are known in the art, which also include steps for coarse and fine cleaning of recyclable materials and for packaging (eg described in Belter , P.A., Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology, John Wiley & Sons (1988), and Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition on CD-ROM, Wiley-VCH).
Zur Isolierung des Wertprodukts kann man vorteilhafterweise so vorgehen, dass man zunächst die festen Bestandteile aus der Fermentationsbrühe entfernt, z. B. mittels Zentrifugation oder Filtration, und anschließend das Wertprodukt aus der flüssigen Phase isoliert, z. B. durch Kristallisation, Fällung, Adsorption oder Destillation. Alternativ kann das Wertprodukt auch direkt aus der Fermentationsbrühe isoliert werden, z. B. durch Einsatz chromatographischer Verfahren oder von Extraktions-Verfahren. Als chromatographisches Verfahren ist insbesondere die lonenaustauschchromatographie zu nennen, bei der das Wertprodukt selektiv auf der Chromatographiesäule isoliert werden kann. In diesem Fall erfolgt die Abtrennung der Feststoffe aus der verbleibenden Fermentationsbrühe vorteilhafterweise z. B. durch Dekantieren, Eindampfen oder/und Trocknung.To isolate the product of value, it is advantageously possible to proceed by first removing the solid constituents from the fermentation broth, e.g. B. by centrifugation or filtration, and then isolated the desired product from the liquid phase, for. Example by crystallization, precipitation, adsorption or distillation. Alternatively, the desired product can also be isolated directly from the fermentation broth, z. Example by using chromatographic methods or extraction method. As a chromatographic method, in particular ion exchange chromatography should be mentioned, in which the desired product can be selectively isolated on the chromatography column. In this case, the separation of the solids from the remaining fermentation broth is advantageously carried out z. B. by decantation, evaporation and / or drying.
Im Falle flüchtiger oder öliger Verbindungen ist in der Regel eine Kontrolle der maximalen Temperaturen während der Aufarbeitung, insbesondere während der Trocknung erforderlich. Vorteilhaft können diese Verbindungen auch dadurch hergestellt werden, dass man sie in quasi fester Form (pseudofester Form) auf Adsorbentien formuliert. Zu diesem Zweck geeignete Adsorbentien sind z. B. in der WO 2005/116228In the case of volatile or oily compounds, a control of the maximum temperatures during workup, in particular during drying, is generally required. Advantageously, these compounds can also be prepared by formulating them in quasi-solid form (pseudo-solid form) on adsorbents. Suitable adsorbents for this purpose are, for. In WO 2005/116228
(PCT/EP2005/005728) der Anmelderin angegeben. Beispiele für Verbindungen, die vorteilhaft auf diese Weise hergestellt werden können, sind γ-Linolensäure, Dihomo-γ- Linolensäure, Arachidonsäure, Eicosapentaensäure und Docosahexaensäure, weiterhin Propionsäure, Milchsäure, Propandiol, Butanol und Aceton. Auch diese Verbindun- gen in pseudofester Formulierung werden im Sinne der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige mikrobielle Stoffwechselprodukte in fester Form verstanden.(PCT / EP2005 / 005728) of the applicant. Examples of compounds which can be advantageously prepared in this way are γ-linolenic acid, dihomo-γ-linolenic acid, arachidonic acid, eicosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid, furthermore propionic acid, lactic acid, propanediol, butanol and acetone. For the purposes of the present invention, these compounds in pseudo-free formulation are also understood to be nonvolatile microbial metabolites in solid form.
Eine weitere spezielle Ausführungsform (II) betrifft ein Verfahren, bei dem man die flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe ohne vorherige Isolierung oder Abrei- cherung eines nichtflüchtigen mikrobiellen Stoffwechselprodukts, und gegebenenfalls ohne vorherige Abtrennung fester Bestandteile, weitgehend entfernt, wobei man eine feste Formulierung eines nichtflüchtigen mikrobiellen Stoffwechselprodukts erhält. Eine genauere Beschreibung zur Durchführung eines solchen Verfahrens findet sich in der PCT/EP2006/066057 (ältere Patentanmeldung DE 10 2005 042 541.0) der Anmelderin. Weitgehend bedeutet, dass nach Entfernung der flüchtigen Bestandteile ein fester oder zumindest halbfester Rückstand verbleibt, der sich gegebenenfalls durch Zusatz von Feststoffen in ein festes Produkt überführen lässt. In der Regel bedeutet dies, die flüchtigen Bestandteile bis zu einem Restfeuchtegehalt von nicht mehr als 30 Gew.-%, häu- fig nicht mehr als 20 Gew.-% und insbesondere nicht mehr als 15 Gew.-%, zu entfernen. In der Regel wird man die flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe vorteilhafterweise bis auf einen Restfeuchtigkeitsgehalt im Bereich von 0,2 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 2 bis 15 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das nach Trocknung ermittelte Gesamt- gewicht der festen Bestandteile, aus der Fermentationsbrühe entfernen. Der Restfeuchtigkeitsgehalt kann durch übliche dem Fachmann bekannte Verfahren bestimmt werden, z. B. mittels Thermogravimetrie (Hemminger et al., Methoden der thermischen Analyse, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1989).A further specific embodiment (II) relates to a process in which the volatile constituents of the fermentation broth are substantially removed without prior isolation or removal of a nonvolatile microbial metabolite, and optionally without prior separation of solid constituents, resulting in a solid formulation of a nonvolatile microbial Metabolism product receives. A more detailed description of the implementation of such a method can be found in the PCT / EP2006 / 066057 (earlier patent application DE 10 2005 042 541.0) of the applicant. By far, it means that after removal of the volatile constituents, a solid or at least semi-solid residue remains, which can optionally be converted by the addition of solids in a solid product. As a rule, this means removing the volatile constituents up to a residual moisture content of not more than 30% by weight, frequently not more than 20% by weight and in particular not more than 15% by weight. In general, the volatile constituents of the fermentation broth are advantageously up to a residual moisture content in the range of 0.2 to 30 wt .-%, preferably 1 to 20 wt .-%, particularly preferably 2 to 15 wt .-% and most preferably 5 to 15 wt .-%, based on the determined after drying total weight of the solid components, remove from the fermentation broth. The residual moisture content can be determined by conventional methods known in the art, for. Example by means of thermogravimetry (Hemminger et al., Methods of thermal analysis, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1989).
Die Gewinnung des(der) nichtflüchtigen Stoffwechselprodukts(-produkte) in fester Form aus der Fermentationsbrühe kann in ein, zwei oder mehreren Stufen erfolgen, insbesondere in einem ein- oder zweistufigen Vorgehen. In der Regel wird mindestens eine, insbesondere die abschließende Stufe zur Gewinnung des Stoffwechselprodukts in fester Form einen Trocknungsschritt umfassen.Recovery of the nonvolatile metabolite (s) in solid form from the fermentation broth may be accomplished in one, two or more stages, especially in a one or two step procedure. In general, at least one, in particular the final stage for obtaining the metabolite in solid form will comprise a drying step.
Bei der einstufigen Vorgehensweise wird man die flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe, gegebenenfalls nach vorgenannter Vorabtrennung, entfernen, bis der gewünschte Restfeuchtigkeitsgehalt erreicht ist.In the one-step procedure, the volatile constituents of the fermentation broth, if appropriate after the aforesaid preliminary separation, are removed until the desired residual moisture content has been reached.
Bei der zwei- oder mehrstufigen Vorgehensweise wird man die Fermentationsbrühe, zunächst aufkonzentrieren, z. B. mittels (Mikro-, Ultra-)Filtration oder thermisch durch Verdampfen eines Teils der flüchtigen Bestandteile. Der Anteil der flüchtigen Bestandteile, die in dieser Stufe entfernt werden beträgt in der Regel 10 bis 80 Gew.-% und insbesondere 20 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der flüchtigen Be- standteile der Fermentationsbrühe. In einer oder mehreren sich anschließenden Stufen werden die restlichen flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe entfernt, bis der gewünschte Restfeuchtigkeitsgehalt erreicht ist.In the two- or multi-step procedure, the fermentation broth, first concentrate, z. Example by means of (micro-, ultra-) filtration or thermally by evaporation of a portion of the volatiles. The proportion of volatile constituents removed in this step is generally from 10 to 80% by weight and in particular from 20 to 70% by weight, based on the total weight of the volatile constituents of the fermentation broth. In one or more subsequent stages, the residual volatiles of the fermentation broth are removed until the desired residual moisture content is achieved.
Das Entfernen der flüchtigen Bestandteile des Flüssigmediums erfolgt gemäß dieser Ausführungsform (II) im Wesentlichen ohne eine vorherige Abreicherung oder gar Isolierung des Wertprodukts. Folglich wird bei der Entfernung der flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe das nichtflüchtige Stoffwechselprodukt im Wesentlichen nicht zusammen mit den flüchtigen Bestandteilen des Flüssigmediums entfernt, sondern verbleibt mit wenigstens einem Teil, üblicherweise mit der Hauptmenge und insbeson- dere mit der Gesamtmenge der sonstigen festen Bestandteile aus der Fermentationsbrühe im so erhaltenen Rückstand. Dementsprechend können aber auch - Vorzugs- weise geringe - Anteile des gewünschten nichtflüchtigen mikrobiellen Stoffwechselpro- dukts, in der Regel maximal 20 Gew.-%, z. B. 0,1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt nicht mehr als 10, insbesondere nicht mehr als 5 Gew.-%, besonders bevorzugt maximal 2,5 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt maximal 1 Gew.-%, bezogen auf das Ge- samttrockengewicht des Stoffwechselprodukts, beim Entfernen der flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe zusammen mit diesen entfernt werden. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform verbleibt das gewünschte nichtflüchtige mikro- bielle Stoffwechselprodukt zu wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere wenigstens 95 Gew.-%, speziell 99 Gew.-% und ganz speziell etwa 100 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamttrockengewicht des Stoffwechselprodukts, als Feststoff in Mischung mit dem nach Entfernen der flüchtigen Bestandteile erhaltenen Teil oder der Gesamtheit der festen Bestandteile des Fermentationsmediums.The removal of the volatile constituents of the liquid medium takes place according to this embodiment (II) essentially without a prior depletion or even isolation of the desired product. Thus, upon removal of the fermentation broth volatiles, the non-volatile metabolic product is substantially not removed along with the volatiles of the liquid medium, but remains with at least a portion, usually the majority and, in particular, the total of other solid components from the fermentation broth in the residue thus obtained. Accordingly, but also - preferential example, small amounts of the desired nonvolatile microbial metabolite, usually a maximum of 20 wt .-%, z. B. 0.1 to 20 wt .-%, preferably not more than 10, in particular not more than 5 wt .-%, more preferably at most 2.5 wt .-% and most preferably at most 1 wt .-%, based to the total dry weight of the metabolite, removing the volatile constituents of the fermentation broth together with them. In a very particularly preferred embodiment, the desired non-volatile microbial metabolite remains at least 90% by weight, in particular at least 95% by weight, especially 99% by weight and especially about 100% by weight, based in each case on the Total dry weight of the metabolic product, as a solid in admixture with the part obtained after removal of the volatiles or the whole of the solid components of the fermentation medium.
Sofern gewünscht, kann vor dem Entfernen der flüchtigen Bestandteile ein Teil, z. B. 5 bis 80 Gew.-% und insbesondere 30 bis 70 Gew.-%, der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile aus der Fermentationsbrühe abgetrennt werden, z. B. mittels Zentrifugati- on oder Filtration. Gegebenenfalls wird man eine solche Vorabtrennung durchführen, um gröbere Feststoffpartikel, die keine oder nur geringe Anteile an nichtflüchtigem mikrobiellem Stoffwechselprodukt enthalten, zu entfernen. Zur Vorfiltration können dem Fachmann bekannte, übliche Verfahren, z. B. unter Verwendung grobmaschiger Siebe, Netze, Lochbleche, oder dergleichen angewendet werden. Gegebenenfalls kann eine Abtrennung grober Feststoffpartikel auch in einem Fliehkraftabscheider erfolgen. Die hierbei eingesetzten Apparaturen wie Dekanter, Zentrifugen, Sedikanter und Separatoren sind dem Fachmann ebenfalls bekannt .Auf diese Weise erhält man einen festen oder halbfesten, z. B. pastösen Rückstand, welcher das nichtflüchtige Stoffwechselprodukt und die nichtflüchtigen, in der Regel festen nicht-stärkehaltigen Bestandteile der Stärkequelle oder zumindest große Teile davon, häufig wenigstens 90 Gew.-% oder die Gesamtmenge der festen nicht-stärkehaltigen Bestandteile enthält.If desired, prior to removing the volatiles, a part, e.g. B. 5 to 80 wt .-% and in particular 30 to 70 wt .-%, the non-starchy solid constituents are separated from the fermentation broth, z. B. by centrifugation or filtration. Optionally, such pre-separation will be performed to remove coarser solid particles containing no or low levels of nonvolatile microbial metabolite. For prefiltration, known in the art, conventional methods, eg. B. using coarse mesh screens, nets, perforated plates, or the like. Optionally, a separation of coarse solid particles can also take place in a centrifugal separator. The apparatuses used here, such as decanters, centrifuges, sedanizers and separators, are likewise known to the person skilled in the art. In this way, a solid or semisolid, for. Pasty residue containing the nonvolatile metabolite and nonvolatile, usually solid non-starchy constituents of the starch source, or at least large portions thereof, often at least 90% by weight or the total amount of solid non-starchy ingredients.
Durch Zugabe von Formulierungshilfsmitteln wie Träger- und Coatingmaterialien, Bindemitteln sowie anderer Additive können die Eigenschaften des getrockneten und zusammen mit den festen Bestandteilen der Fermentation vorliegenden Stoffwechselprodukts gezielt hinsichtlich verschiedener Parameter wie Wirkstoffgehalt, Korngröße, Partikelform, Neigung zum Stauben, Hygroskopizität, Stabilität, insbesondere Lager- Stabilität, Farbe, Geruch, Fließverhalten, Agglomerationsneigung, elektrostatischer Aufladung, Licht- und Temperaturempfindlichkeit, mechanischer Stabilität und Redisper- gierbarkeit in an sich bekannter Weise konfektioniert werden.By adding formulation auxiliaries such as carrier and coating materials, binders and other additives, the properties of the dried metabolite present together with the solid components of the fermentation can be targeted with respect to various parameters such as active ingredient content, particle size, particle shape, tendency to dust, hygroscopicity, stability, in particular bearings Stability, color, odor, flow behavior, tendency to agglomerate, electrostatic charging, light and temperature sensitivity, mechanical stability and redispersibility are packaged in a manner known per se.
Zu den üblicherweise verwendeten Formulierungshilfsmitteln gehören z. B. Bindemittel, Trägermaterialien, Puderungs-/Fließhilfsmittel, ferner Farbpigmente, Biozide, Dispergiermittel, Antischaummittel, Viskositätsregulierende Mittel, Säuren, Laugen, Antioxi- dantien, Enzymstabilisatoren, Enzyminhibitoren, Adsorbate, Fette, Fettsäuren, Öle o- der Mischungen hieraus. Derartige Formulierungshilfsmittel werden vorteilhaft insbesondere bei Anwendung von Formulierungs- und Trocknungsverfahren wie Sprüh-, Wirbelschicht- und Gefriertrocknung als Trocknungshilfsmittel eingesetzt. Wegen wei- terer Details wird auf die PCT/EP2006/066057 (ältere Anmeldung DE 10 2005 042 541.0) verwiesen.The commonly used formulation auxiliaries include, for. As binders, support materials, powdering / flow aids, also color pigments, biocides, dispersants, antifoams, viscosity regulators, acids, alkalis, antioxidants dants, enzyme stabilizers, enzyme inhibitors, adsorbates, fats, fatty acids, oils or mixtures thereof. Such formulation auxiliaries are advantageously used in particular when using formulation and drying processes such as spray drying, fluid bed drying and freeze drying as drying aids. For further details, reference is made to PCT / EP2006 / 066057 (earlier application DE 10 2005 042 541.0).
Der Anteil an den vorgenannten Zusatzstoffen und gegebenenfalls weiteren Zusatzstoffen wie Coatingmaterialien kann je nach den speziellen Erfordernissen des jeweiligen Stoffwechselprodukts sowie in Abhängigkeit von den Eigenschaften der eingesetzten Zusatzstoffe stark variieren und z. B. im Bereich von 0,1 bis 80 Gew.-% und insbesondere im Bereich von 1 bis 30 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des fertig formulierten Produkts bzw. Stoffgemischs, liegen.The proportion of the aforementioned additives and optionally other additives such as coating materials can vary greatly depending on the specific requirements of the respective metabolite and depending on the properties of the additives used and z. B. in the range of 0.1 to 80 wt .-% and in particular in the range of 1 to 30 wt .-%, each based on the total weight of the finished formulated product or mixture.
Die Zugabe von Formulierungshilfsmitteln kann vor, während oder nach der Aufarbeitung der Fermentationsbrühe (auch als Produktformulierung oder Feststoffdesign bezeichnet) und insbesondere während der Trocknung erfolgen. Eine Zugabe von Formulierungshilfsmitteln vor Aufarbeitung der Fermentationsbrühe bzw. des Stoffwechselprodukts kann insbesondere vorteilhaft sein, um die Prozessierbarkeit der auf- zuarbeitenden Stoffe bzw. Produkte zu verbessern. Die Formulierungshilfsmittel können sowohl dem in fester Form erhaltenen Stoffwechselprodukt als auch einer dieses enthaltenden Lösung oder Suspension zugegeben werden, z. B. nach abgeschlossener Fermentation direkt zu der Fermentationsbrühe oder zu einer im Verlauf der Aufarbeitung erhaltenen Lösung oder Suspension vor dem abschließenden Trocknungs- schritt.The addition of formulation auxiliaries may take place before, during or after the work-up of the fermentation broth (also referred to as product formulation or solid design) and in particular during the drying. An addition of formulation auxiliaries prior to working up the fermentation broth or the metabolic product may be particularly advantageous in order to improve the processability of the substances or products to be processed. The formulation auxiliaries may be added both to the metabolic product obtained in solid form and to a solution or suspension containing it, e.g. B. after completion of fermentation directly to the fermentation broth or to a solution or suspension obtained in the course of the work-up before the final drying step.
So können die Hilfsstoffe z. B. in eine Suspension des mikrobiellen Stoffwechselprodukts eingemischt werden; eine solche Suspension kann auch auf ein Trägermaterial gegeben werden, z. B. durch Aufsprühen oder Untermischen. Die Zugabe von Formulierungshilfsstoffen während der Trocknung kann z. B. eine Rolle spielen, wenn eine das Stoffwechselprodukt enthaltende Lösung oder Suspension versprüht wird. Insbesondere nach der Trocknung erfolgt eine Zugabe von Formulierungshilfsmitteln z. B. beim Aufbringen von Überzügen bzw. Coatings/Coatingschichten auf getrocknete Partikel. Sowohl nach dem Trocknen als auch nach einem eventuellen Coatingschritt können dem Produkt weitere Hilfsmittel zugegeben werden.Thus, the adjuvants z. B. are mixed in a suspension of the microbial metabolite; Such a suspension can also be added to a carrier material, for. B. by spraying or mixing. The addition of formulation auxiliaries during drying can, for. B. play a role when a metabolic product containing solution or suspension is sprayed. In particular after drying, addition of formulation auxiliaries z. B. when applying coatings or coatings / coating layers on dried particles. Both after drying and after a possible coating step further aids can be added to the product.
Das Entfernen der flüchtigen Bestandteile aus der Fermentationsbrühe erfolgt in an sich bekannter Weise durch übliche Verfahren zur Abtrennung fester Phasen von flüssigen Phasen, einschließlich Filtrationsverfahren und Verfahren zum Verdampfen flüchtiger Bestandteile der flüssigen Phasen. Derartige Verfahren, die auch Schritte zur Grobreinigung der Wertstoffe sowie Schritte zur Konfektionierung umfassen können, werden z. B. in Belter, P. A, Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnolo- gy, John Wiley & Sons (1988), und Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5. Aufl. auf CD-ROM, Wiley-VCH, beschrieben. Im Rahmen der Produktformulierung bzw. der Aufarbeitung nach abgeschlossener Fermentation anwendbare, dem Fachmann bekannte Verfahren, Apparaturen, Hilfsstoffe bzw. allgemeine und spezielle Ausführungsformen sind ferner in EP 1038 527, EP 0648 076, EP 835613, EP 0219 276, EP 0394 022, EP 0547 422, EP 1088 486, WO 98/55599, EP 0758 018 und WO 92/12645 beschrieben.The removal of the volatiles from the fermentation broth is carried out in a manner known per se by conventional methods for the separation of solid phases from liquid phases, including filtration processes and processes for volatilization of volatile constituents of the liquid phases. Such methods, which may also include steps for the coarse cleaning of recyclables and steps for packaging, be z. In Belter, P.A., Bioseparations: Downstream Processing for Biotechnology, John Wiley & Sons (1988), and Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition on CD-ROM, Wiley-VCH. In the context of the product formulation or the workup after completion of fermentation applicable methods known to those skilled in the art, apparatuses, auxiliaries or general and specific embodiments are further described in EP 1038 527, EP 0648 076, EP 835613, EP 0219 276, EP 0394 022, EP 0547 422, EP 1088 486, WO 98/55599, EP 0758 018 and WO 92/12645.
In einer ersten Variante dieser Ausführungsform (II) wird man das nichtflüchtige mikro- bielle Stoffwechselprodukt, sofern es in der flüssigen Phase gelöst vorliegt, aus der flüssigen Phase in die feste Phase überführen, z. B. durch Kristallisation oder Fällung. Anschließend erfolgt eine Abtrennung der nichtflüchtigen festen Bestandteile einschließlich des Stoffwechselprodukts, z. B. mittels Zentrifugation, Dekantieren oder FiIt- ration. In ähnlicher Weise kann man auch ölige Stoffwechselprodukte abtrennen, wobei man die jeweiligen öligen Fermentationsprodukte durch Zusatz von Adsorbentien, z. B. Kieselsäure, Kieselgele, Lehm, Ton und Aktivkohle, in eine feste Form überführt.In a first variant of this embodiment (II), the non-volatile microbial metabolite, if it is present dissolved in the liquid phase, is converted from the liquid phase to the solid phase, eg. B. by crystallization or precipitation. Subsequently, a separation of the non-volatile solid components including the metabolite, z. B. by centrifugation, decantation or filtration. Similarly, one can also separate oily metabolites, wherein the respective oily fermentation products by the addition of adsorbents, eg. As silica, silica gels, clay, clay and activated carbon, converted into a solid form.
In einer zweiten Variante dieser Ausführungsform (II) werden die flüchtigen Bestandtei- Ie durch Verdampfen entfernt. Das Verdampfen kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Beispiele für geeignete Verfahren zum Verdampfen flüchtiger Bestandteile sind die Sprühtrocknung, Wirbelschichttrocknung bzw. -agglomeration, Gefriertrocknung, Strom- und Kontakttrocknern sowie Extrusionstrocknung. Auch eine Kombination der vorgenannten Verfahren mit formgebende Verfahren wie Extrusion, Pelletierung oder Prilling kann vorgenommen werden. Bei diesen letztgenannten Verfahren werden vorzugsweise teilweise oder weitgehend vorgetrocknete Stoffwechselprodukt-haltige Stoffgemische eingesetzt.In a second variant of this embodiment (II), the volatile constituents are removed by evaporation. The evaporation can be done in a conventional manner. Examples of suitable methods for volatilization of volatile components are spray drying, fluidized bed drying or agglomeration, freeze drying, current and contact dryers and extrusion drying. A combination of the aforementioned methods with molding methods such as extrusion, pelletizing or prilling can be made. In these latter methods, preferably partially or substantially predried metabolic product-containing mixtures are used.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Entfernen der flüchtigen Bestand- teile der Fermentationsbrühe ein Verfahren zur Sprühtrocknung oder ein Verfahren der Wirbelschichttrocknung, einschließlich der Wirbelschichtgranulierung. Hierzu wird die Fermentationsbrühe, gegebenenfalls nach einer Vorabtrennung zur Entfernung grober Feststoffpartikel, die keine oder nur geringe Anteile an nichtflüchtigem mikrobiellen Stoffwechselprodukt enthalten, einer oder mehreren Sprüh- oder Wirbelschichttrock- nungsapparaturen zugeführt. Der Transport bzw. die Zuführung der feststoffbeladenen Fermentationsbrühe erfolgt zweckmäßigerweise mittels üblicher Transportvorrichtungen für feststoffhaltige Flüssigkeiten, z. B. Pumpen wie Exzenterschneckenpumpen (z. B. der Fa. Delasco PCM) oder Hochdruckpumpen (z. B. der Fa. LEWA Herbert Ott GmbH). Die Durchführung einer Fermentation unter Verwendung des erfindungsgemäßen zuckerhaltigen Flüssigmediums kann auch derart erfolgen, dass manIn a preferred embodiment, the devolatilization of the fermentation broth comprises a spray drying process or a fluidized bed drying process, including fluid bed granulation. For this purpose, the fermentation broth, optionally after a preliminary separation to remove coarse solid particles containing no or only small amounts of nonvolatile microbial metabolite, fed to one or more spray or fluidized bed drying apparatus. The transport or the supply of solids-loaded fermentation broth is advantageously carried out by means of conventional transport devices for solids-containing liquids, eg. As pumps such as eccentric screw pumps (eg., The Fa. Delasco PCM) or high-pressure pumps (eg., The company LEWA Herbert Ott GmbH). Carrying out a fermentation using the sugar-containing liquid medium according to the invention can also be carried out in such a way that
vii) dem in Schritt iii) erhaltenen Medium M, das nicht-stärkehaltige feste Bestandtei- Ie der Stärkequelle enthält, eine Teilmenge von nicht mehr als 50 Gew.-%, z. B. im Bereich von 5 bis 45 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht, entnimmt und die Restmenge einer Fermentation zur Herstellung eines ersten Stoffwechselprodukts (A), z. B. eines nichtflüchtigen Stoffwechselprodukts (A) in fester Form oder eines flüchtigen Stoffwechselprodukts (A), zuführt; undvii) the medium M obtained in step iii) containing non-starch-containing solid component of the starch source, a subset of not more than 50 wt .-%, z. B. in the range of 5 to 45 wt .-%, based on the total weight, and the remaining amount of a fermentation for the preparation of a first metabolite (A), z. A nonvolatile metabolite (A) in solid form or a volatile metabolite (A); and
viii) diese Teilmenge, gegebenenfalls nach vorheriger vollständiger oder teilweiser Abtrennung der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle, einer Fermentation zur Herstellung eines zweiten Stoffwechselprodukts (B), das mit dem Stoffwechsel produkt (A) identisch oder davon verschieden ist, zuführt.viii) this subset, optionally after prior complete or partial separation of the non-starchy solid constituents of the starch source, a fermentation for producing a second metabolite (B), which is identical or different from the metabolite product (A).
Im Falle der Abtrennung der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile gemäß vii) beträgt der Feststoffgehalt des verbleibenden Anteils des Mediums M bevorzugt maximal 50 Gew.-%, insbesondere maximal 30 Gew.-%, besonders bevorzugt maximal 10 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt maximal 5 Gew.-%. Insbesondere ist es in diesem Fall bevorzugt, die gesamten Feststoffe vor der Fermentation zur Herstellung des zweiten Stoffwechselprodukts (B) abzutrennen.In the case of separation of the non-starchy solid constituents according to vii), the solids content of the remaining portion of the medium M is preferably not more than 50% by weight, in particular not more than 30% by weight, more preferably not more than 10% by weight and very particularly preferably at most 5% by weight. In particular, in this case, it is preferable to separate all the solids before fermentation to produce the second metabolite (B).
Diese Vorgehensweise ermöglicht es, in der separaten Fermentation gemäß vii) Mikroorganismen einzusetzen, für die bestimmte Mindestanforderungen erfüllt sein müssen, z. B. bezüglich der Sauerstofftransferrate. Für solche in der separaten Fermentation gemäß viii) eingesetzten Mikroorganismen kommen z. B. Bacillus species, bevorzugt Bacillus subtilis in Betracht. Die durch derartige Mikroorganismen in der separaten Fermentation produzierten Verbindungen sind insbesondere unter Vitaminen, Cofakto- ren und Nutrazeutika, Purin- und Pyrimidinbasen, Nukleosiden und Nukleotiden, Lipi- den, gesättigten und ungesättigten Fettsäuren, aromatischen Verbindungen, Proteinen, Carotenoiden, speziell unter Vitaminen, Cofaktoren und Nutrazeutika, Proteinen und Carotenoiden und ganz speziell unter Riboflavin und Calciumpantothenat ausgewählt.This procedure makes it possible to use in the separate fermentation according to vii) microorganisms for which certain minimum requirements must be satisfied, eg. B. with respect to the oxygen transfer rate. For such microorganisms used in the separate fermentation according to viii) come z. B. Bacillus species, preferably Bacillus subtilis into consideration. The compounds produced by such microorganisms in the separate fermentation are in particular among vitamins, cofactors and nutraceuticals, purine and pyrimidine bases, nucleosides and nucleotides, lipids, saturated and unsaturated fatty acids, aromatic compounds, proteins, carotenoids, especially with vitamins, Cofactors and nutraceuticals, proteins and carotenoids, and especially selected from riboflavin and calcium pantothenate.
Eine bevorzugte Ausgestaltung dieser Vorgehensweise betrifft die parallel betriebene Herstellung gleicher Stoffwechselprodukte (A) und (B) in zwei separaten Fermentationen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn für verschiedene Anwendungen des gleichen Stoffwechselprodukts unterschiedliche Anforderungen an die Reinheit zu stellen sind. Demnach wird das erste Stoffwechselprodukt (A), z. B. eine als Futtermitteladditiv zu verwendende Aminosäure, z. B. Lysin, Methionin, Threonin oder Glutamat, unter Einsatz der feststoffhaltigen Fermentationsbrühe und das gleiche zweite Stoffwechselprodukt (B), z. B. die gleiche als Nahrungsmitteladditiv zu verwendende Ami- nosäure unter Einsatz der gemäß viii) feststoffabgereicherten Fermentationsbrühe hergestellt. Durch die vollständige oder teilweise Abtrennung der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile kann der Reinigungsaufwand bei der Aufarbeitung des Stoffwechselprodukts, dessen Anwendungsbereich eine höhere Reinheit erfordert, z. B. als Nah- rungsmitteladditiv, reduziert werden.A preferred embodiment of this procedure relates to the parallel production of the same metabolites (A) and (B) in two separate fermentations. This is particularly advantageous if different purity requirements are to be set for different applications of the same metabolic product. Accordingly, the first metabolite (A), z. As a feed additive to be used amino acid, for. As lysine, methionine, threonine or glutamate, using the solids-containing fermentation broth and the same second metabolite (B), z. For example, the same amino acid to be used as a food additive. Nosäure prepared using the according to viii) solids depleted fermentation broth. By completely or partially separating the non-starchy solid constituents, the cleaning effort in the workup of the metabolite, the scope of which requires a higher purity, for. As a food additive, can be reduced.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieser Vorgehensweise kann z. B. wie folgt vorgegangen werden. Man implementiert eine vorzugsweise großvolumige Fermentation zur Herstellung von Stoffwechselprodukten A, z. B. von Aminosäuren wie Lysin, Methionin, Glutamat oder Threonin, von Citronensäure oder von Ethanol, z. B. entsprechend den in der WO 2005/116228 (PCT/EP2005/005728) oder PCT/EP2006/066057 (ältere Anmeldung DE 10 2005 042 541.0) beschriebenen Verfahren oder entsprechend den zur fermentativen Herstellung von Bioethanol bekannten Verfahren. Gemäß vii) wird ein Teil des nach Schritt iii) erhaltenen Mediums M ent- nommen. Der gemäß vii) entnommene Teil kann gemäß viii) durch übliche Verfahren, z. B. Zentrifugation oder Filtration, vollständig oder teilweise von den Feststoffen befreit werden, je nach den Erfordernissen der Fermentation zur Herstellung von B. Das so gewonnene, gegebenenfalls vollständig oder teilweise von den Feststoffen befreite Medium M wird gemäß viii) einer Fermentation zur Produktion eines Stoffwechselpro- dukts B zugeführt. Ein gemäß viii) abgetrennter Feststoffstrom wird vorteilhafterweise zum Strom des Mediums M der großvolumigen Fermentation zurück gegeben.In a further preferred embodiment of this procedure, z. B. proceed as follows. It implements a preferably large-volume fermentation for the production of metabolites A, z. As of amino acids such as lysine, methionine, glutamate or threonine, citric acid or ethanol, eg. B. according to the methods described in WO 2005/116228 (PCT / EP2005 / 005728) or PCT / EP2006 / 066057 (earlier application DE 10 2005 042 541.0) or according to the methods known for the fermentative production of bioethanol. According to vii), part of the medium M obtained after step iii) is removed. The part removed according to vii) can be prepared according to viii) by conventional methods, e.g. As centrifugation or filtration, completely or partially freed from the solids, depending on the requirements of the fermentation for the production of B. The thus obtained, optionally completely or partially freed from the solids medium M is according to viii) a fermentation for the production of a Metwechselpro - Duct B fed. A stream of solids separated off according to viii) is advantageously returned to the stream of medium M of the large-volume fermentation.
Wenn das in der großvolumigen Fermentation hergestellte mikrobielle Stoffwechselprodukt (A) Ethanol ist, so weist das nach dem Schritt iii) hergestellte Medium M Kon- zentrationen an Mono-, Di- oder Oligosacchariden auf, wie sie bei der fermentativen Ethanol-Produktion (Bioethanol) üblich sind, z. B. im Bereich von 25 bis 33 Gew.-%. Die Durchführung einer Abtrennung von Feststoffen gemäß Schritt viii) richtet sich auch hier nach den Erfordernissen der Fermentation zur Herstellung des jeweiligen Stoffwechselprodukts B.If the microbial metabolite (A) prepared in the large-volume fermentation is ethanol, then the medium M produced after step iii) has concentrations of mono-, di- or oligosaccharides, as in the fermentative ethanol production (bioethanol) are common, for. B. in the range of 25 to 33 wt .-%. The carrying out of a separation of solids according to step viii) also depends here on the requirements of the fermentation for the production of the respective metabolite B.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise handelt es sich bei dem in der Fermentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwechselprodukt B um Riboflavin. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehensweisen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in der WO 01/011052, DE 19840709, WO 98/29539, EP 1186664 und Fujioka, K.: New biotechnology for riboflavin (vitamin B2) and character of this riboflavin. Fragrance Journal (2003), 31 (3), 44-48.In a preferred embodiment of the procedure described above, the metabolite B produced by the microorganisms in the fermentation is riboflavin. To carry out the fermentation analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In WO 01/011052, DE 19840709, WO 98/29539, EP 1186664 and Fujioka, K .: New biotechnology for riboflavin (vitamin B2) and character of this riboflavin. Fragrance Journal (2003), 31 (3), 44-48.
Zur Durchführung dieser Variante des Verfahrens implementiert man eine vorzugswei- se großvolumige Fermentation zur Herstellung von Stoffwechselprodukten A, z. B. von Aminosäuren wie Lysin, Methionin, Glutamat oder, von Citronensäure oder von Etha- nol, wie oben beschrieben. Gemäß vii) wird ein Teil des nach Schritt iii) erhaltenen Mediums M entnommen und gemäß viii) durch übliche Verfahren, z. B. Zentrifugation oder Filtration, vollständig oder teilweise von den Feststoffen befreit. Das daraus gewonnene, im Wesentlichen vollständig oder teilweise von den Feststoffen befreite Medium M wird gemäß viii) einer Fermentation zur Produktion des Stoffwechselprodukts B, hier Riboflavin, zugeführt. Der gemäß viii) abgetrennte Feststoffstrom wird vorteilhafterweise zum Strom des Mediums M der großvolumigen Fermentation zurück gegeben.To carry out this variant of the process, a preferably large-volume fermentation is implemented for the production of metabolic products A, z. Of amino acids such as lysine, methionine, glutamate or, of citric acid or of etha- nol, as described above. According to vii) a part of the medium M obtained after step iii) is removed and according to viii) by conventional methods, for. As centrifugation or filtration, completely or partially freed from the solids. The medium M obtained therefrom, which is essentially completely or partially freed from the solids, is fed to a fermentation according to viii) for the production of the metabolite B, in this case riboflavin. The solid stream separated according to viii) is advantageously returned to the stream of medium M of the large-volume fermentation.
Die auf diese Art und Weise gemäß viii) erzeugte, Riboflavin-haltige Fermentationsbrü- he kann nach analogen Bedingungen und Vorgehensweisen aufgearbeitet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in DE 4037441 , EP 464582, EP 438767 und DE 3819745. Nach Lyse der Zellmasse erfolgt die Abtrennung des kristallin vorliegenden Riboflavins vorzugsweise durch Dekantieren. Andere Arten der Feststoffabtrennung, z. B. Filtration, sind ebenfalls möglich. Anschließend wird das Riboflavin getrocknet, bevorzugt mittels Sprüh- und Wirbelschichttrocknern. Alternativ dazu kann das gemäß viii) erzeugte, Riboflavin-haltige Fermentationsgemisch nach analogen Bedingungen und Vorgehensweisen aufgearbeitet werden, wie z. B. in der EP 1048668 und EP 730034 beschrieben. Nach Pasteurisierung wird die Fermentationsbrühe hier zentrifugiert und die zurückbleibende feststoffhaltige Fraktion mit einer mineralischen Säure behandelt. Das gebildete Riboflavin wird aus dem wäss- rig-sauren Medium filtriert, gegebenenfalls gewaschen und anschließend getrocknet.The riboflavin-containing fermentation broth produced in this manner according to viii) can be worked up by analogous conditions and procedures as have been described for other carbon sources, e.g. In DE 4037441, EP 464582, EP 438767 and DE 3819745. After lysis of the cell mass, the separation of the crystalline present riboflavin is preferably carried out by decantation. Other types of solids separation, e.g. As filtration, are also possible. Subsequently, the riboflavin is dried, preferably by means of spray and fluidized bed dryers. Alternatively, the riboflavin-containing fermentation mixture produced in accordance with viii) can be worked up according to analogous conditions and procedures, such as, for. As described in EP 1048668 and EP 730034. After pasteurization, the fermentation broth is centrifuged here and the residual solids-containing fraction is treated with a mineral acid. The riboflavin formed is filtered from the aqueous-acidic medium, optionally washed and then dried.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieser Vorgehensweise handelt es sich bei dem in der Fermentation von den Mikroorganismen produzierten Stoffwech- selprodukt B um Pantothensäure. Zur Durchführung der Fermentation können hier analoge Bedingungen und Vorgehensweisen angewendet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in der WO 01/021772.In a further preferred embodiment of this procedure, the metabolic product B produced by the microorganisms in the fermentation is pantothenic acid. To carry out the fermentation analogous conditions and procedures can be applied here, as have been described for other carbon sources, eg. In WO 01/021772.
Zur Durchführung dieser Variante des Verfahrens kann z. B. wie oben für Riboflavin beschrieben vorgegangen werden. Das gemäß vii) vorgereinigte, vorzugsweise im Wesentlichen von den Feststoffen befreite, Medium M wird einer Fermentation gemäß viii) zur Produktion von Pantothensäure zugeführt. Dabei ist die im Vergleich zum fest- stoffhaltigen Flüssigmedium verringerte Viskosität besonders vorteilhaft. Der abgetrennte Feststoffstrom wird vorzugsweise zum Strom des zuckerhaltigen Flüssigmedi- ums der großvolumigen Fermentation zurückgegeben.To carry out this variant of the method can, for. B. as described above for riboflavin. The medium M pre-purified according to vii), preferably substantially freed from the solids, is fed to a fermentation according to viii) for the production of pantothenic acid. In this case, the reduced viscosity compared to the solid-containing liquid medium is particularly advantageous. The separated solids stream is preferably returned to the stream of the sugar-containing liquid medium of the large-volume fermentation.
Die gemäß viii) hergestellte Pantothensäure-haltige Fermentationsbrühe kann nach analogen Bedingungen und Vorgehensweisen aufgearbeitet werden, wie sie für andere Kohlenstoffquellen beschrieben wurden, z. B. in der EP 1050219 und WO 01/83799. Nach Pasteurisieren der gesamten Fermentationsbrühe werden die verbleibenden Feststoffe z. B. durch Zentrifugation oder Filtration abgetrennt. Der Klarlauf der Fest- Stoffabtrennung wird teilweise eingedampft, gegebenenfalls mit Calciumchlorid versetzt und getrocknet, insbesondere sprühgetrocknet.The pantothenic acid-containing fermentation broth prepared according to viii) can be worked up by analogous conditions and procedures as described for other carbon sources, e.g. In EP 1050219 and WO 01/83799. After pasteurizing the entire fermentation broth, the remaining solids z. B. separated by centrifugation or filtration. The clear-running of the festival Material separation is partially evaporated, optionally mixed with calcium chloride and dried, in particular spray-dried.
Die abgetrennten Feststoffe können im Rahmen des parallel betriebenen, großvolumi- gen Fermentationsverfahrens zusammen mit dem jeweiligen gewünschten mikrobiel- len Stoffwechselprodukt (A) gewonnen werden.The separated solids can be obtained in the context of the parallel-operated, large-volume fermentation process together with the respective desired microbial metabolite (A).
Nach der Trocknung und/oder Formulierung bzw. Konfektionierung können der Produktformulierung bzw. Proteinzusammensetzung ganze oder gemahlene Getreidekörner, bevorzugt Mais, Weizen, Gerste, Hirse, Triticale und/oder Roggen zugegeben werden.After drying and / or formulation or formulation, whole or ground cereal grains, preferably corn, wheat, barley, millet, triticale and / or rye may be added to the product formulation or protein composition.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung einzelner Aspekte der vorliegenden Erfindung, sie sind jedoch in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.The following examples are given to illustrate certain aspects of the present invention, but are not to be construed as limiting in any way.
BeispieleExamples
I. Vermählen der StärkequelleI. Grinding the starch source
Die im Folgenden eingesetzten Mahlgüter wurden wie folgt hergestellt. Ganze Maiskörner wurden unter Verwendung einer Rotormühle vollständig vermählen. Unter Einsatz unterschiedlicher Schlägerwerke, Mahlbahnen bzw. Siebeinbauten wurden dabei drei verschiedene Feinheiten erzielt. Eine Siebanalyse des Mahlgutes mittels Labor- Vibrationssieb (Vibrations-Analysenmaschine: Retsch Vibrotronic Typ VE1 ; Siebzeit 5 min; Amplitude: 1 ,5 mm) ergab die in Tabelle I aufgeführten Ergebnisse.The millables used in the following were produced as follows. Whole corn kernels were completely ground using a rotor mill. Using different Schlägerwerke, grinding tracks or sieve installations three different subtleties were achieved. A sieve analysis of the material to be ground using a laboratory vibrating sieve (vibratory analysis machine: Retsch Vibrotronic type VE1, sieving time 5 min, amplitude: 1.5 mm) gave the results listed in Table I.
Tabelle ITable I
II. Enzymatische Stärkeverflüssigung und -VerzuckerungII. Enzymatic starch liquefaction and saccharification
11.1 ) Verflüssigung im Jetkocher Zur kontinuierlichen Verflüssigung eines trocken vermahlenen Maismehls sind zwei Rührkessel von 250 L Volumen installiert, aus denen jeweils abwechselnd im Stundentakt das in Wasser angemaischte Maismehl dem Jetkocher zugeführt wird. Ein typischer Ansatz für diese Kessel erfolgt durch Vorlage von 1 17 kg Wasser, zu dem eine α-Amylase, z. B. Termamyl SC, in einer Konzentration von 0,10 Gew.-% (bezogen auf die eingesetzte Mehlmenge) zugegeben wird. Anschließend werden bei ca. 45 °C in mehreren Schritten 133 kg Maismehl zugefüttert und untergemischt. Nach Einstellung einer Ca2+-Konzentration von 50 ppm, z. B. durch Zugabe von CaCI2, wird der pH- Wertes in einem Bereich zwischen 5,6 und 5,8 eingestellt. Nach Zugabe aller Kompo- nenten wird die Maismehlsuspension intensiv durch Rühren bis zur Verwendung im Jetkocher durchmischt. Diese Suspension wird dem Jetkocher dann mit 250 kg/h bei einem Druck von 5 bar zugeführt. Das Aufheizen der Maismehlsuspension über die Verkleisterungstemperatur hinaus auf 105 °C erfolgt durch parallele Zuführung von 25 kg/h Dampf (7,5 bar). In einem dem Jetkocher nachgeschalteten Rohrreaktor mit 5 min Haltezeit wird ein Teil der verkleisterten Stärke zu Dextrinen abgebaut (1. Verflüssigung). Anschließend wird die Temperatur der Reaktionsmischung durch Flashen auf 90 °C reduziert, wobei ca. 5 kg/h Dampf abgehen. Bei 90 °C wird dann in einem weiteren Rohrreaktor über einen Zeitraum von 100 min die zweite Verflüssigung zum vollständigen Abbau der Stärke zu Dextrinen durchgeführt. Die erhaltene Reaktionsmi- schung wird dann durch erneutes Flashen unter einem Wasserverlust von ca. 14 kg/h auf die Verzuckerungstemperatur von 61 °C abgekühlt.11.1) liquefaction in the jet cooker For the continuous liquefaction of a dry-milled cornmeal, two stirred tanks of 250 L volume are installed, from which the cornmeal, mashed in water, is fed to the jet cooker, alternately at hourly intervals. A typical approach for these boilers is by submitting 1 17 kg of water to which an α-amylase, e.g. B. Termamyl SC, in a concentration of 0.10 wt .-% (based on the amount of flour) is added. Subsequently, 133 kg maize flour are added and mixed in at approx. 45 ° C in several steps. After setting a Ca 2+ concentration of 50 ppm, z. B. by addition of CaCl 2 , the pH is adjusted in a range between 5.6 and 5.8. After addition of all components, the maize meal suspension is intensively mixed by stirring until use in the jet cooker. This suspension is then fed to the jet cooker at 250 kg / h at a pressure of 5 bar. The heating of the maize meal suspension beyond the gelatinization temperature to 105 ° C. is effected by parallel feeding of 25 kg / h of steam (7.5 bar). In a tube reactor downstream of the jet cooker with a holding time of 5 minutes, part of the gelatinized starch is degraded to dextrins (first liquefaction). Subsequently, the temperature of the reaction mixture is reduced by flashing to 90 ° C, with about 5 kg / h of steam go off. At 90 ° C, the second liquefaction is then carried out in a further tubular reactor over a period of 100 min to completely decompose the starch to dextrins. The resulting reaction mixture is then cooled to the saccharification temperature of 61 ° C. by reflashing under a water loss of about 14 kg / h.
11.1 ) Verzuckerung11.1) saccharification
Ein Teil der aus 11.1 ) erhaltenen Reaktionsmischung wurde in einem Stichversuch verzuckert. Dazu wurden ca. 1000 g der Reaktionsmischung in einen Rührkessel überführt und unter stetem Rühren bei 61 °C gehalten. Das Rühren wurde während der gesamten Versuchsdurchführung fortgesetzt. Nach Einstellung des pH-Wertes mit H2SO4 auf 4,3 wurden 17,9 g (15,2 ml) Dextrozyme GA (Novozymes A/S) zugegeben. Die Temperatur wurde ca. 3 h gehalten, wobei der Fortschritt der Reaktion per HPLC verfolgt wurde. Am Ende betrug die Glucosekonzentration 420 g/kg.Part of the reaction mixture obtained from 11.1) was saccharified in a random test. For this purpose, about 1000 g of the reaction mixture were transferred to a stirred tank and kept at 61 ° C. with constant stirring. Stirring was continued throughout the experiment. After adjusting the pH to 4.3 with H 2 SO 4 , 17.9 g (15.2 ml) of Dextrozyme GA (Novozymes A / S) was added. The temperature was maintained for about 3 hours, with the progress of the reaction monitored by HPLC. At the end, the glucose concentration was 420 g / kg.
IM. Stamm ATCC 13032 lysCfbr IN THE. Strain ATCC 13032 lysC fbr
In einigen der nachfolgenden Beispiele wurde ein modifizierter Stamm von Corynebac- terium glutamicum eingesetzt, der unter der Bezeichnung ATCC13032 lysCfbr in der WO 05/059144 beschrieben wurde.In some of the following examples, a modified strain of Corynebacterium glutamicum was used, which was described under the name ATCC13032 lysC fbr in WO 05/059144.
Beispiel 1 Verflüssigtes und verzuckertes Maismehlhydrolysat, das nach Vorschrift Il hergestellt worden war, wurde in Schüttelkolbenversuchen unter Verwendung von Corynebacteri- um glutamicum eingesetzt.example 1 Liquefied and saccharified corn flour hydrolyzate prepared according to protocol Il was used in shake flask experiments using Corynebacterium glutamicum.
Stammtribe
Es wurde der modifizierte Wildtyp mit feedback-deregulierter AspartokinaseIt became the modified wild-type with feedback-deregulated aspartokinase
ATCC13032 lysCfbr verwendet.ATCC13032 lysC fbr used.
Herstellung des InokulumsProduction of the inoculum
Die Zellen wurden nach dem Ausstreichen auf sterilem CM+CaAc-Agar (Zusammensetzung: siehe Tabelle 1 ; 20 min bei 121 °C) über Nacht bei 30 °C inkubiert. Anschließend wurden die Zellen von den Platten abgekratzt und in Saline resuspendiert. 25 ml des Mediums (siehe Tabelle 2) in 250 ml Erlenmeyerkolben mit zwei Schikanen wurden jeweils mit einer solchen Menge der so hergestellten Zellsuspension angeimpft, dass die optische Dichte einen Wert von OD6io = 0,5 bei 610 nm erreichte.Cells were incubated at 30 ° C overnight after streaking on sterile CM + CaAc agar (composition: see Table 1, 20 min at 121 ° C). The cells were then scraped off the plates and resuspended in saline. 25 ml of the medium (see Table 2) in 250 ml Erlenmeyer flasks with two baffles were each inoculated with such an amount of the cell suspension thus prepared that the optical density reached a value of OD 6 io = 0.5 at 610 nm.
Tabelle 1 : Zusammensetzung der CM+CaAc-AgarplattenTable 1: Composition of the CM + CaAc agar plates
Herstellung der FermentationsbrüheProduction of the fermentation broth
Die Zusammensetzung des Kolbenmediums ist in Tabelle 2 aufgeführt. Der Versuch wurde in Dreifachbestimmung durchgeführt.The composition of the flask medium is shown in Table 2. The experiment was carried out in triplicate.
Tabelle 2: KolbenmedienTable 2: Piston media
* mit verdünnter wässriger NaOH-Lösung eingestellt * adjusted with dilute aqueous NaOH solution
Nach dem Animpfen wurden die Kolben 48 h bei 30 °C und unter Bewegen (200 Upm) in einem befeuchteten Schüttelschrank inkubiert. Nach dem Abbruch der Fermentation wurde der Gehalt an Glucose und Lysin per HPLC bestimmt. Die HPLC Analysen wurden mit Geräten der 1100 Series LC von Agilent durchgeführt. Die Bestimmung der Aminosäurekonzentration erfolgte mittels Hochdruckflüssigkeitschromatographie auf einer Agilent 1100 Series LC System HPLC. Eine Vorsäulenderivatisierung mit Ortho- Phthalaldehyd erlaubt die Quantifizierung der gebildeten Aminosäuren, die Auftrennung des Aminosäuregemisches findet auf einer Hypersil AA-Säule (Agilent) statt.After inoculation, the flasks were incubated at 30 ° C for 48 hours and agitated (200 rpm) in a humidified shaker cabinet. After the termination of the fermentation, the content of glucose and lysine was determined by HPLC. HPLC analyzes were performed on Agilent 1100 Series LC equipment. The amino acid concentration was determined by high pressure liquid chromatography on an Agilent 1100 Series LC System HPLC. A pre-column derivatization with orthophthalaldehyde allows the quantification of the amino acids formed, the separation of the amino acid mixture takes place on a Hypersil AA column (Agilent).
Beispiel 2:Example 2:
Verflüssigtes und verzuckertes Maismehlhydrolysat, das nach Vorschrift Il hergestellt worden war, wurde in Schüttelkolbenversuchen unter Verwendung von Aspergillus ni- ger eingesetzt.Liquefied and saccharified corn flour hydrolyzate prepared according to Regulation II was used in shake flask experiments using Aspergillus niger.
Stamm Ein Aspergillus niger Phytase-Produktionsstamm mit 6 Kopien des phyA-Gens aus Aspergillus ficuum unter der Kontrolle des glaA-Promotors wurde analog zur im Detail in WO 98/46772 beschriebenen Herstellung von NP505-7 erzeugt. Als Kontrolle wurde ein Stamm mit 3 modifizierten glaA Ampikons (analog ISO505), jedoch ohne integrierte phyA-Expressionskassetten verwendet.tribe An Aspergillus niger phytase production strain with 6 copies of the phyA gene from Aspergillus ficuum under the control of the glaA promoter was generated analogously to the preparation of NP505-7 described in detail in WO 98/46772. The control used was a strain with 3 modified glaA ampicons (analogous to ISO505) but without integrated phyA expression cassettes.
Herstellung des lnokulumsProduction of the inoculum
20 ml des Vorkulturmediums (siehe Tabelle 3) in 100 ml Erlenmeyerkolben mit einer Schikane werden jeweils mit 100 μl einer Gefrierkultur angeimpft und 24 h bei 34 °C unter Bewegen (170 Upm) in einem befeuchteten Schüttelschrank inkubiert.20 ml of the preculture medium (see Table 3) in 100 ml Erlenmeyer flasks with a chicane are in each case inoculated with 100 μl of a freezing culture and incubated for 24 h at 34 ° C. with agitation (170 rpm) in a humidified shaker cabinet.
Tabelle 3: Zusammensetzung des VorkulturmediumsTable 3: Composition of the preculture medium
* mit verdünnter Schwefelsäure eingestellt * adjusted with dilute sulfuric acid
50 ml des Hauptkulturmediums (siehe Tabelle 4) in 250 ml Erlenmeyerkolben mit einer Schikane werden jeweils mit 5 ml Vorkultur angeimpft50 ml of the main culture medium (see Table 4) in 250 ml Erlenmeyer flasks with a baffle are each inoculated with 5 ml preculture
Herstellung der FermentationsbrüheProduction of the fermentation broth
Die Zusammensetzung des Kolbenmediums ist in Tabelle 4 aufgeführt. Aus jeder Probe wurden zwei Kolben angesetzt.The composition of the flask medium is shown in Table 4. From each sample, two flasks were set up.
Tabelle 4: KolbenmedienTable 4: Flask media
mit verdünnter Schwefelsäure einzustellen Adjust with dilute sulfuric acid
Nach dem Animpfen wurden die Kolben 6 Tage bei 34 °C und unter Bewegen (170 Upm) in einem befeuchteten Schüttelschrank inkubiert. Nach dem Abbruch der Fermentation wurde die Phytaseaktivität mit Phytinsäure als Substrat und auf einem geeignetem Phytaseaktivitätsniveau (Standard: 0,6 U/ml) in 250 mM Essigsäure/- Natriumacetat/Tween 20 (0,1 Gew.-%), pH 5,5 Puffer bestimmt. Der Assay wurde standardisiert für die Anwendung in Mikrotiterplatten (MTP). 10 μl der Enzymlösung wurden mit 140 μl 6,49 mM Phytatlösung in 250 mM Natriumacetatpuffer, pH 5,5 (Phy- tat: Dodecanatriumsalz der Phytinsäure) gemischt. Nach einer Stunde Inkubation bei 37 °C wurde die Reaktion durch Zugabe des gleichen Volumens (150 μl) Trichloressig- säure gestoppt. Ein Aliquot dieser Mischung (20 μl) wurde überführt in 280 μl einer Lösung, die 0,32 N H2SO4, 0,27 Gew.-% Ammoniummolybdat und 1 ,08 Gew.-% Ascor- binsäure enthält. Anschließend erfolgte eine 25-minütige Inkubation bei 50 °C. Die Absorption der blau gefärbten Lösung wurde bei 820 nm gemessen. After inoculation, the flasks were incubated at 34 ° C for 6 days and agitated (170 rpm) in a humidified shaker cabinet. After termination of the fermentation, the phytase activity with phytic acid as substrate and at a suitable phytase activity level (standard: 0.6 U / ml) in 250 mM acetic acid / sodium acetate / Tween 20 (0.1% by weight), pH 5, 5 buffers determined. The assay has been standardized for use in microtiter plates (MTP). 10 μl of the enzyme solution were mixed with 140 μl of 6.49 mM phytate solution in 250 mM sodium acetate buffer, pH 5.5 (Phytate: dodecasodium salt of phytic acid). After one hour of incubation at 37 ° C, the reaction was stopped by adding the same volume (150 μl) of trichloroacetic acid. An aliquot of this mixture (20 μl) was transferred to 280 μl of a solution containing 0.32 NH 2 SO 4 , 0.27% by weight ammonium molybdate, and 1.08% by weight ascorbic acid. This was followed by a 25-minute incubation at 50.degree. The absorbance of the blue colored solution was measured at 820 nm.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung wenigstens einer organischen Verbindung mit mindestens 3 C-Atomen oder mit mindestens 2 C-Atomen und mindestens 1 N-Atom durch Fermentation, umfassend die folgenden Schritte:1. A process for preparing at least one organic compound having at least 3 C atoms or having at least 2 C atoms and at least 1 N atom by fermentation, comprising the following steps:
i) Vermählen einer Stärkequelle unter Erhalt eines Mahlguts, das wenigstens einen Teil der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle enthält;i) grinding a starch source to obtain a millbase containing at least a portion of the non-starchy solid components of the starch source;
ii) Suspendieren des Mahlguts in einer wässrigen Flüssigkeit in einer Menge, dass ein Trockenmassegehalt in der Suspension von wenigstens 45 Gew.- % resultiert,ii) suspending the millbase in an aqueous liquid in an amount such that a dry matter content in the suspension of at least 45% by weight results,
iii) Hydrolyse des Stärkebestandteils im Mahlgut durch Verflüssigen und gegebenenfalls anschließendes Verzuckern, wobei man ein wässriges Medium M erhält, welches die hydrolysierten Stärkebestandteile der Stärkequelle und wenigstens einen Teil der nicht-stärkehaltigen festen Bestandteile der Stärkequelle enthält; undiii) hydrolysis of the starch constituent in the millbase by liquefaction and optionally subsequent saccharification to obtain an aqueous medium M containing the hydrolyzed starch constituents of the starch source and at least a portion of the non-starchy solid constituents of the starch source; and
iv) Verwendung des in Schritt iii) erhaltenen wässrigen Mediums M in einer Fermentation zur Kultivierung eines Mikroorganismus, welcher zur Überproduktion der organischen Verbindung befähigt ist;iv) using the aqueous medium M obtained in step iii) in a fermentation to cultivate a microorganism which is capable of overproducing the organic compound;
wobei man in Schritt iii) die in Schritt ii) erhaltene Suspension durch Einbringen von Wasserdampf in die Suspension auf Temperaturen oberhalb der Verkleiste- rungstemperatur der im Mahlgut enthaltenen Stärke erhitzt.wherein, in step iii), the suspension obtained in step ii) is heated by introducing steam into the suspension at temperatures above the tabletting temperature of the starch contained in the millbase.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Erhitzen mit Wasserdampf in einem Jet- kocher erfolgt.2. A process according to claim 1, wherein the heating is carried out with steam in a jet cooker.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei man die erhitzte Suspension des Mahlguts durch Flashverdampfung auf Temperaturen unterhalb der Verkleisterungstemperatur abkühlt und anschließend die Verflüssigung der Stär- ke in Gegenwart eines Stärke verflüssigenden Enzyms durchführt.3. The method according to any one of the preceding claims, wherein cooling the heated suspension of the ground material by flash evaporation to temperatures below the gelatinization temperature and then the liquefaction of the starch ke in the presence of a starch-liquefying enzyme.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei man der Suspension wenigstens ein Stärke verflüssigende Enzym vor dem Erhitzen zugibt.4. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein the suspension is added at least one strength-liquefying enzyme before heating.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hydrolyse der Stärke einen Verzuckerungsschritt umfasst. A method according to any preceding claim, wherein the hydrolysis of the starch comprises a saccharification step.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zusätzlich die folgenden Schritte:6. Method according to one of the preceding claims, additionally comprising the following steps:
v) Kultivieren des zur Überproduktion der organischen Verbindung befähigten 5 Mikroorganismus in einem wässrigen, verstoffwechselbare Zucker enthaltenden Fermentationsmedium F; undv) culturing the microorganism capable of overproduction of the organic compound in an aqueous, metabolizable sugar-containing fermentation medium F; and
vi) Zugabe des wässrigen Mediums M zu dem Fermentationsmedium F, wobei die im wässrigen Medium M enthaltenen hydrolysierten Stärkebestandteile 10 durch die Mikroorganismen unter Bildung der organischen Verbindung verstoffwechselt werden.vi) adding the aqueous medium M to the fermentation medium F, wherein the hydrolyzed starch constituents 10 contained in the aqueous medium M are metabolized by the microorganisms to form the organic compound.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Fermentationsmedium F in Schritt v) im Wesentlichen das wässrige Medium M, die zur Überproduktion der organischen7. The method according to claim 6, wherein the fermentation medium F in step v) substantially the aqueous medium M, which is used for overproduction of organic
15 Verbindung befähigten Mikroorganismen, Nährsalze, übliche Hilfsstoffe und15 compound competent microorganisms, nutrient salts, conventional excipients and
Wasser zur Verdünnung umfasst.Water for dilution includes.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt ii) eingesetzte Mahlgut wenigstens 20 % der in der Stärkequelle8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the millbase used in step ii) at least 20% of the starch source
20 enthaltenen, festen, nicht stärkehaltigen Bestandteile der Stärkequelle umfasst.20 contained, solid, non-starchy components of the starch source.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man als Stärkequelle Getreidekörner verwendet.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that one uses grain grains as the starch source.
25 10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Stärke verflüssigende Enzym eine α-Amylase ist.10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the starch-liquefying enzyme is an α-amylase.
1 1. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellte organische Verbindung unter gegebenenfalls Hydroxylgruppen1 1. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the organic compound prepared under optionally hydroxyl groups
30 tragenden Mono-, Di- und Tricarbonsäuren mit 3 bis 10 C-Atomen, proteinogenen und nicht-proteinogenen Aminosäuren, Purinbasen, Pyrimidinbasen; Nukleosi- den, Nukleotiden, Lipiden; gesättigten und ungesättigten Fettsäuren; Diolen mit 4 bis 10 C-Atomen, mehrwertigen Alkoholen mit 3 oder mehr Hydroxylgruppen, langkettigen Alkoholen mit wenigstens 4 C-Atomen, Kohlenhydraten, aromati-30 carrying mono-, di- and tricarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms, proteinogenic and non-proteinogenic amino acids, purine bases, pyrimidine bases; Nucleosides, nucleotides, lipids; saturated and unsaturated fatty acids; Diols having 4 to 10 C atoms, polyhydric alcohols having 3 or more hydroxyl groups, long-chain alcohols having at least 4 C atoms, carbohydrates, aromatic
35 sehen Verbindungen, Vitaminen, Provitaminen, Cofaktoren, Nutrazeutika, Proteinen, Carotenoiden, Ketonen mit 3 bis 10 C-Atomen, Lactonen, Biopolymeren und Cyclodextrinen ausgewählt ist.Compounds, vitamins, provitamins, cofactors, nutraceuticals, proteins, carotenoids, ketones of 3 to 10 carbon atoms, lactones, biopolymers and cyclodextrins are selected.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zur Fermentation 40 eingesetzte Mikroorganismus ausgewählt ist unter natürlichen oder rekombinan- ten Mikroorganismen, die wenigstens eines der folgenden Stoffwechselprodukte überproduzieren: Enzyme, Aminosäuren, Vitamine, Disaccharide, aliphatische Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 10 C-Atomen, aliphatische Hydroxycarbon- säuren mit 3 bis 10 C-Atomen, Ketone mit 3 bis 10 C-Atomen, Alkanole mit 4 bis 10 C-Atomen, Alkandiole mit 3 bis 8 C-Atomen und Polyhydroxyalkanoate.12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the microorganism used for fermentation 40 is selected from natural or recombinant microorganisms containing at least one of the following metabolites overproduce: enzymes, amino acids, vitamins, disaccharides, aliphatic mono- and dicarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms, aliphatic hydroxycarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms, ketones having 3 to 10 carbon atoms, alkanols having 4 to 10 C -Atomen, alkanediols having 3 to 8 carbon atoms and polyhydroxyalkanoates.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Mikroorganismus unter solchen, die eine oder mehrere Aminosäuren überproduzieren, ausgewählt ist .The method of claim 12, wherein the microorganism is selected from those that overproduce one or more amino acids.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Mikroorganismus unter solchen, die eine oder mehrere aliphatische Mono- und Dicarbonsäuren mit 3 bis 10 C-Atomen überproduzieren, ausgewählt ist.14. The method of claim 12, wherein the microorganism is selected from those that overproduce one or more aliphatic mono- and dicarboxylic acids having 3 to 10 carbon atoms.
15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Mikroorganismus unter solchen, die ein oder mehrere Enzyme überproduzieren, ausgewählt ist .The method of claim 12, wherein the microorganism is selected from those that overproduce one or more enzymes.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Mikroorganismus unter solchen, die eine Phytase überproduzieren, ausgewählt ist.The method of claim 15, wherein the microorganism is selected from those that overproduce a phytase.
17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mikroorganismen ausgewählt sind unter den Gattungen Corynebacterium, Bacillus, Ashbya, Escherichia, Aspergillus, Alcaligenes, Actinobacillus, Anaerobiospirillum, Lactobacillus, Propionibacterium, Clostridium und Rhizopus.17. The method according to any one of the preceding claims, wherein the microorganisms are selected from the genera Corynebacterium, Bacillus, Ashbya, Escherichia, Aspergillus, Alcaligenes, Actinobacillus, Anaerobiospirillum, Lactobacillus, Propionibacterium, Clostridium and Rhizopus.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Mikroorganismus unter Stämmen der Gattung Corynebakterium ausgewählt ist.18. A method according to claim 17, wherein the microorganism is selected from strains of the genus Corynebacterium.
19. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei man wenigstens ein mikrobielles Stoffwechselprodukt aus der Fermentationsbrühe abreichert oder i- soliert und anschließend die flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe weitgehend entfernt, wobei man eine feste oder halbfeste Proteinzusammensetzung erhält.19. The method according to any one of the preceding claims, wherein depleted at least one microbial metabolite from the fermentation broth or i solves and then largely removed the volatile components of the fermentation broth, to obtain a solid or semi-solid protein composition.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei man die flüchtigen Bestandteile der Fermentationsbrühe ohne vorherige Isolierung oder Abreicherung eines nichtflüchtigen mikrobiellen Stoffwechselprodukts, und gegebenenfalls ohne vorherige Abtrennung fester Bestandteile, mindestens teilweise entfernt, wobei man eine feste Formulierung eines nichtflüchtigen mikrobiellen Stoffwechselprodukts erhält. A process according to any one of claims 1 to 18, wherein the volatile constituents of the fermentation broth are at least partially removed without prior isolation or depletion of a non-volatile microbial metabolite, and optionally without prior separation of solid constituents to obtain a solid formulation of a nonvolatile microbial metabolite ,
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