Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von Butylalkohol und Azeton durch Gärung. Die Erfindung bezieht sich auf die Her stellung von Butylalkohol und Azeton durch Vergärung von Kohlenhydraten.
Nachdem Fernbach festgestellt hatte (D. R: P. Nr. 323533), dass bei der Vergärung von Kohlenhydraten oder kohlenhydrathal- tigen Stoffen durch Gärungserreger "vom Typus Bac. butylicus Fitz" unter Luftab- schluss als Hauptprodukt Butylalkohol und Azeton neben geringen Mengen anderer Al kohole entstehen, ist dieses Verfahren in der. Vereinigten Staaten von Nordamerika rasch bis zu grosser industrieller Bedeutung ent wickelt worden.
Als Ausgangsprodukte kön nen sowohl stärkehaltige, als auch zucker haltige natürliche Rohstoffe dienen, indem die Erreger der bakteriellen azeton-butyl- alkoholischen Gärung Stärke zu Monosaccha- riden enzymatisch leicht abzubauen vermögen. Butylalkohol und Azeton werden von allen bisher verwendeten Gärungserregern im festen Verhältnis von 2 : 1 gebildet. Die Ausbeute an "Lösungsmitteln" schwankt zwischen 21 bis 25 /o auf trockenen Mais berechnet.
Da neben entstehen als gasförmige Gärungs produkte Kohlensäure und Wasserstoff.
Die Entwicklung dieser Art von Gärung bis zum gegenwärtigen Stand der Technik ist insbesondere durch die Erkenntnis ge fördert worden, dass man zur regelmässigen Erzielung kräftiger Gärungen von Kulturen ausgehen muss, die keine vegetativen Formen, sondern ausschliesslich Sporen enthalten. Man verwendet demgemäss zur Aussaat Kulturen, die kurze Zeit auf etwa 95 o erhitzt worden sind. Weiter hat sich ergeben, dass die bei der Gärung entstehenden Säuren nicht mit Kreide abgestumpft werden dürfen. Vielmehr ist für den regelrechten Verlauf der Gärung Erfordernis, dass die Azidität anfangs stetig ansteigt, bis sie ein Maximum erreicht, um sodann bis zum Schluss der Gärung wieder stetig abzusinken.
Die Gärungskurve hat sich zu einem wichtigen Mittel der Betriebsüber- wachung herausgebildet: Wenn die Azidität sehr langsam oder etwa auch gar nicht zu rückgeht, so ist dies ein sicheres Zeichen dafür, dass die Maischen infiziert sind oder der Gärungserreger selbst geschwächt ist. Der Kohlenhydratgehalt der Maischen muss wesentlich unter den Konzentrationen liegen, die bei der alkoholischen Gärung zulässig sind; die oberste Grenze wird mit 8 0% Stärke angegeben.
Trotz geringerer Konzentration ist aber die Viskosität der Maischen, welche durch Dämpfen der Ausgangsprodukte unter Druck hergestellt werden, insbesondere bei der Verarbeitung von Maismehl, beträchtlich, weshalb vorgeschlagen worden ist, diese Druckkochung unter Zusatz jener beschränk ten Mengen von Salzsäure auszuführen, welche gerade ausreichen, um die irn Mehl enthaltenen Diplrosphate in Monophosphate überzuführen. Schliesslich hat schon Fernbach empfohlen, den eingemaischten kohlenbydrat- haltigen Rohstoffen erforderlichenfalls auf geschlossene oder teilweise abgebaute Hefe als Nährstoff zuzusetzen.
Neben diesen für die technische Entwicklung des Verfahrens mehr oder minder wichtigen Vorschlägen finden sich, insbesondere in Patentschriften, Angaben über verschiedene Organismen, welchen für diesen Prozess spezifische Eig nungen zugeschrieben werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung lässt man nun die Hauptgärung in Maischen vor sich gehen, die vor Einleitung der Gärung durch den Zusatz von organischen Säuren, insbesondere von Milchsäure, angesäuert werden. Mit welchem für die Durchführung der azeton-butylalkoholischen Gärung ge eigneten Organismus immer man arbeiten mag, wird hierdurch die Reinheit und Sicher heit des Gärungsverlaufes befördert. Organi sche Säuren wirken bekanntlich irn Gemisch mit ihren eigenen Salzen, die sie mit starren Basen bilden, als Puffer und verhindern hier durch, dass die Wasserstoffionenkonzentration trotz Zunahme der Azidität während der Gärung gewisse Grenzen überschreiten kann.
Diese besondere Wirkung, die organischen Säuren neben der Fähigkeit, die Gefahr des Eintretens von Nebengärungen herabzusetzen, zukommt, lässt sich durch den Zusatz von anorganischen Säuren nicht erreichen. Die sich von selbst einstellende Pufferwirkung der Systeme, organische Säuren - Salze dieser Säuren mit starken Basen- wird vorteilhaft durch den an sich bekannten Zu satz von abgetöteter oder autolysierter Hefe oder durch Zusatz von sonstigen gut puffern- den Stoffgemischen, welche gleichzeitig stick stoffhaltige Nährstoffe darstellen, z.
B. von eiweisshaltigen Gemischen pflanzlichen Ur sprungs, noch gesteigert. Daneben empfiehlt sich der Zusatz von Ammoniumverbindungen, insbesondere Ammoniaksalzen, oder von Harn stoff oder dergleichen.
Statt die organische Säure der Maische zuzusetzen, kann man diese durch fermen- tative Vorgänge in der Maische entstehen lassen, wie zum Beispiel Milchsäure durch in der Hefefabrikation übliche milchsaure Gärung.
Die Anfangsazidität der Maische (Titra- tionsazidität gegen Bronrthymolblau) wird zweckmässig auf 1,4-1,6 eingestellt. (Die Aziditätsgrade geben hier und in der Folge die Anzahl der cm' rr # Natronlauge an, welche bei Verwendung von Bromtlrymol- blau als Indikator zur Neutralisierung von 100 crns des Mediums erforderlich sind.) Der ph-Wert soll am Beginn der Gärung bei einem Pufferungsgrad von mindestens 4 zwi schen 5 bis 4,6 liegen.
Der Pufferungsgrad 7r wird mathematisch durch die Gleichung ausgedrückt; und zwar streng genommen
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als partieller Differentialquotient bei einem bestimmten ph. Der zahlenmässige Betrag der Pufferung wird bekanntlich durch Messung der Änderung des p11 -Wertes bei Zusatz einer bestimmten kleinen Menge Säure oder Alkali in einer gegebenen Menge des Gärmediums bestimmt.
Die Zusätze müssten theoretisch unendlich klein sein; praktisch ist die untere Grenze durch die Genauigkeit der pr,-Bestimmungs- methode gesatzt. Um vergleichbare Mess- ergebnisse zu erhalten, muss die zugesetzte Säure-(Lauge)menge bei allen Versuchen kon stant sein. Den angegebenen 7c-Werten liegt die folgende bekannte Bestimmungsmethode zugrunde. Es werden je drei Proben des Urärmediums, und zwar je 1 cm3 gleichzeitig entnommen. In einer dieser Proben wird das p,, nach einer üblichen Methode gemessen.
Der zweiten Probe werden 0,5 cms n1100 H2S04, der dritten 0,5 cm3 m100 NaOH zugesetzt, worauf der Ah-Wert auch in diesen beiden Proben nach derselben Methode ge messen wird. Die Änderungen der p,-Werte sind der Pufferung 7r indirekt proportional. Die Beträge dieser Änderungen sollten theo retisch bei verschiedenen Vorzeichen den selben Wert haben. Praktisch zeigen sich zwischen den Änderungen des ph-Wertes, die durch äquivalente Mengen Säure und Lauge hervorgerufen werden, oft bedeutende Ab weichungen.
Bei der praktischen Bestimmung wird das arithmetische Mittel der reziproken Werte der Änderungen des ph-Wertes nach der sauren und nach der alkalischen Seite hin als 7r angenommen. Zur Bestimmung des pl, wurde die bekannte Indikatorfolienmethode von Dr. Peter Wulff (D. R. P. Nr. 405091) verwendet.
Es empfiehlt sich, auch den Verlauf der Gärung unter Anwendung dieser Bestim mungsmethode durch periodische Messungen des Pufferungsgrades zu überwachen, um den 7r-Wert der Veränderung der Azidität anzupassen, so dass er mit dieser ansteigt und vorteilhaft mit dem Säuremaximum den Höchstwert erreicht. Werden ungenügend hohe Pufferungsgrade im Zug der Haupt gärung festgestellt, so wird dies dadurch ausgeglichen, dass man der Maische nach träglich noch hochpuffernde Zusätze, z. B. milchsaure, weinsaure, zitronensaure oder ogalsaure Salze, zusetzt.
Zur Durchführung der Gärung werden lediglich Sporen enthaltende Kulturen, wie dies allgemein üblich ist, in mehreren An sätzen von zunehmendem Volumen vermehrt, bis schliesslich die zum Anstellen der Haupt maische erforderliche Ansatzmenge vorhan den ist. Auch die Maischen für die grosse Gärung werden in der üblichen Art bereitet. Die optimale Konzentration an Stärke oder Zucker beträgt 6-7 %.
<I>Ausführungsbeispiel:</I> 100 Liter der Maische sollen etwa 35 bis 37 kg Kartoffeln oder 9-10 kg Mais mehl enthalten. Andere stärkehaltige Mate rialien werden entsprechend ihrem Stärke gehalt zu Maischen gleicher Konzentration (6-7 % reine Stärke) verarbeitet. Man bringt die Kartoffeln unzerkleinert, Mais oder der gleichen in Mehlform mit der geeigneten Wassermenge in Autoklaven ein, die mit Rührwerken ausgestattet sind und dämpft bei einem Druck von 2-3 Atmosphären etwa 1-2 Stunden.
Die Nährstoffzusätze (abgetötete oder autolysierte Hefe oder Malz keime in Verbindung mit Harnstoff oder Ammoniumphosphat oder Ammoniumsulfat oder mit ähnlichen stickstoffhaltigen Stoffen in verschiedenartigen Kombinationen) werden der Maische zweckmässig schon im Auto klaven zugefügt.
Passende Zusammensetzungen sind zum Beispiel: Auf 100 Liter Maische <B>125</B> gr abgetötete oder abgebaute Hefe, 125 gr Malzkeime und 40 gr Ammoniumsulfat. Die Maische wird unmittelbar in vorher sorgfältig sterilisierte, mit Rührwerken versehene Gär- gefässe, die vollkommen geschlossen und mit einem zum Abfangen der entweichenden Gase geeigneten Gäraufsatz versehen sein müssen, ausgeblasen.
Nach Einstellung der entspre chenden Anfangsazidität, wozu zweckmässig 80-90 cm3 einer 80 %igen Milchsäure auf je 100 Liter der 112aische zugesetzt werden, wird die Maische zum Beispiel durch ein gebaute Kühler auf die Gärtemperatur von 37-38 0 C abgekühlt; man kann sie zu diesem Zweck aber auch durch vorgebaute Wärmeaustauscbapparate hindurchgehen las sen.
Wenn die Hauptmaische zum Anstellen bereit ist, muss auch der zum Anstellen dienende Bakterienansatz von geeignetem Volumen fertig sein. Zu seiner Herstellung überimpft man zum Beispiel eine empirisch auf ihre Eignung zur Erregung der azeton- butylalkoholischen Gärung geprüfte sporu- lierte Kultur der Spezies Bacterium amylo- bacter A.
M. et Bredemann nach kurzer Er hitzung auf etwa 90 auf 100 cm3 eines annähernd in gleicher Weise wie die Haupt inaische bereiteten Nährbodens und überlässt sie bei 37-38 C unter anaeroben Be dingungen der Entwicklung. Nach etwa 48 Stunden beginnt das Wachstum und die Entwicklung der Oidien. Nachdem man sich von der einwandfreien Beschaffenheit der Kultur überzeugt hat, erfolgt die Überimpfung auf etwa 2 Liter steriler Maische von glei cher Beschaffenheit und nach etwa 24 Stun den auf etwa 20 Liter gleichartiger Maische.
Nach weiteren 24 Stunden kommen diese 20 Liter in eine vorbereitete Maische von 200 bis 300 Litern, welche nach weiteren 24 Stunden in die inzwischen zum Anstellen fertig gemachte Hauptmaische übergeführt wird.
Während der Gärung der Hauptmaische werden mindestens viermal täglich neben der bakteriologischen Kontrolle und der Titra- tionsazidität, ph und Pufferungsgrad festge stellt, was unter Umständen zum Zusatz weiterer Pufferstoffe führt. Nach etwa 30- bis 32stündiger Gärung, während welcher die gärende Maiscbe ab und zu vorsichtig gerührt werden muss, ist der Höhepunkt der Gärung und damit auch das Säuremaximum erreicht.
Nach Beendigung der Gärung werden die gebildeten Hauptprodukte (Butylalkohol und Azeton) im üblichen Verfahren durch frak tionierte Destillation gewonnen. Die geringen Mengen anderer Alkohole lassen eine abge sonderte Gewinnung nicht wirtschaftlich er scheinen.
Die während der Gärung entweichenden Gase, Wasserstoff und Kohlensäure, können, wie dies auch sonst geschieht, verwertet werden, desgleichen die wertvolle Futter stoffe enthaltenden Rückstände.
Process for the simultaneous production of butyl alcohol and acetone by fermentation. The invention relates to the manufacture of butyl alcohol and acetone by fermentation of carbohydrates.
After Fernbach had established (D. R: P. No. 323533) that in the fermentation of carbohydrates or substances containing carbohydrates by fermentation pathogens "of the type Bac. Butylicus Fitz" in the absence of air, butyl alcohol and acetone are the main products as well as small amounts of others Alcohols arise, this process is in the. United States of North America has rapidly developed to great industrial importance.
Both starchy and sugar-containing natural raw materials can serve as starting products, as the pathogens of the bacterial acetone-butyl alcoholic fermentation are able to enzymatically break down starch to monosaccharides. Butyl alcohol and acetone are formed by all fermentation pathogens used to date in a fixed ratio of 2: 1. The yield of "solvents" varies between 21 and 25 / o calculated on dry corn.
In addition, carbonic acid and hydrogen are produced as gaseous fermentation products.
The development of this type of fermentation up to the current state of the art has been promoted in particular by the knowledge that to achieve regular strong fermentations one must start from cultures that do not contain vegetative forms, but exclusively spores. Accordingly, cultures are used for sowing which have been heated to about 95 o for a short time. It has also been found that the acids produced during fermentation must not be blunted with chalk. Rather, for the fermentation to proceed properly, it is necessary that the acidity initially increases steadily until it reaches a maximum, and then steadily decreases again until the end of the fermentation.
The fermentation curve has become an important means of monitoring operations: If the acidity decreases very slowly or not at all, this is a sure sign that the mash is infected or that the fermentation pathogen itself is weakened. The carbohydrate content of the mash must be significantly below the concentrations that are permissible for alcoholic fermentation; the upper limit is given as 80% strength.
Despite the lower concentration, however, the viscosity of the mash, which is produced by steaming the starting products under pressure, especially when processing corn flour, is considerable, which is why it has been proposed to carry out this pressure cooking with the addition of those limited amounts of hydrochloric acid which are just sufficient in order to convert the diplrophates contained in flour into monophosphates. Finally, Fernbach has already recommended that the mashed raw materials containing carbon hydrates should be added as nutrients to closed or partially degraded yeast.
In addition to these proposals, which are more or less important for the technical development of the process, there are, in particular in patent specifications, information about various organisms to which specific properties are assigned for this process.
According to the present invention, the main fermentation is now allowed to proceed in mashes which, before fermentation is initiated, are acidified by the addition of organic acids, in particular lactic acid. Whichever organism that is suitable for carrying out the acetone-butyl alcoholic fermentation one may work with, this promotes the purity and safety of the fermentation process. It is well known that organic acids, when mixed with their own salts, which they form with rigid bases, act as buffers and thereby prevent the hydrogen ion concentration from exceeding certain limits despite the increase in acidity during fermentation.
This special effect, which organic acids have in addition to the ability to reduce the risk of secondary fermentation occurring, cannot be achieved by adding inorganic acids. The self-adjusting buffer effect of the systems, organic acids - salts of these acids with strong bases - is advantageous through the addition of killed or autolyzed yeast, known per se, or through the addition of other well-buffering mixtures of substances which simultaneously represent nitrogen-containing nutrients , e.g.
B. of protein-containing mixtures of vegetable origin, even increased. In addition, the addition of ammonium compounds, especially ammonia salts, or urea or the like is recommended.
Instead of adding the organic acid to the mash, this can be created through fermentative processes in the mash, such as lactic acid through the lactic acid fermentation that is common in yeast production.
The initial acidity of the mash (titration acidity against bronrthymol blue) is expediently set to 1.4-1.6. (The degrees of acidity here and in the following indicate the number of cm 'rr # of sodium hydroxide solution, which are required to neutralize 100 cm of the medium when using bromotylrymol blue as an indicator.) At the beginning of fermentation, the pH value should be one Degree of buffering of at least 4 between 5 and 4.6.
The degree of buffering 7r is expressed mathematically by the equation; strictly speaking
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as a partial differential quotient at a certain ph. The numerical amount of buffering is known to be determined by measuring the change in the p11 value when a certain small amount of acid or alkali is added to a given amount of fermentation medium.
Theoretically, the additions should be infinitely small; in practice, the lower limit is set by the accuracy of the pr, determination method. In order to obtain comparable measurement results, the amount of acid (lye) added must be constant in all tests. The 7c values given are based on the following known determination method. Three samples of the primary medium are taken, 1 cm3 each at the same time. In one of these samples the p ,, is measured by a conventional method.
0.5 cms of n1100 H2S04 is added to the second sample and 0.5 cm3 of m100 NaOH is added to the third, whereupon the Ah value is also measured in these two samples using the same method. The changes in the p, values are indirectly proportional to the buffering 7r. Theoretically, the amounts of these changes should have the same value with different signs. In practice, there are often significant deviations between the changes in the pH value that are caused by equivalent amounts of acid and alkali.
In the practical determination, the arithmetic mean of the reciprocal values of the changes in the pH value towards the acidic and alkaline side is assumed to be 7r. To determine the pl, the well-known indicator film method by Dr. Peter Wulff (D. R. P. No. 405091) was used.
It is advisable to monitor the course of fermentation using this determination method by periodic measurements of the degree of buffering in order to adjust the 7r value to the change in acidity so that it increases with this and advantageously reaches the maximum value with the acid maximum. If insufficiently high levels of buffering are found in the course of the main fermentation, this is compensated for by adding high-buffering additives to the mash afterwards, e.g. B. lactic acid, tartaric acid, citric acid or ogal acid salts added.
To carry out the fermentation, only cultures containing spores, as is common practice, are multiplied in several batches of increasing volume until finally the batch quantity required to make the main mash is available. The mashes for the major fermentation are also prepared in the usual way. The optimal concentration of starch or sugar is 6-7%.
<I> Exemplary embodiment: </I> 100 liters of the mash should contain around 35 to 37 kg of potatoes or 9-10 kg of corn flour. Other starchy materials are processed into mashes of the same concentration (6-7% pure starch) according to their starch content. The potatoes are brought whole, corn or the like in flour form with the appropriate amount of water into autoclaves equipped with stirrers and steamed at a pressure of 2-3 atmospheres for about 1-2 hours.
The nutrient additives (killed or autolyzed yeast or malt germs in connection with urea or ammonium phosphate or ammonium sulfate or with similar nitrogenous substances in various combinations) are expediently added to the mash in the autoclave.
Suitable compositions are, for example: For 100 liters of mash <B> 125 </B> gr yeast killed or degraded, 125 gr malt sprouts and 40 gr ammonium sulfate. The mash is immediately blown out into fermentation vessels that have been carefully sterilized and equipped with agitators, which must be completely closed and provided with a fermentation attachment suitable for catching the escaping gases.
After setting the corresponding initial acidity, for which purpose 80-90 cm3 of 80% lactic acid are added to 100 liters of the 112aische, the mash is cooled down to the fermentation temperature of 37-38 0 C, for example by a built-in cooler; for this purpose, however, they can also be passed through built-in heat exchangers.
When the main mash is ready to be started, the bacterial batch of a suitable volume used for the start-up must also be ready. To produce it, for example, a sporulated culture of the species Bacterium amylobacter A, which has been empirically tested for its suitability for stimulating acetone-butyl alcoholic fermentation, is inoculated.
M. et Bredemann after brief heating to about 90 to 100 cm3 of a nutrient medium prepared in almost the same way as the main inaic and leaves it to develop at 37-38 C under anaerobic conditions. After about 48 hours, the growth and development of the oidia begins. After you have convinced yourself of the perfect condition of the culture, the inoculation takes place on about 2 liters of sterile mash of the same quality and after about 24 hours on about 20 liters of the same type of mash.
After a further 24 hours, these 20 liters are put into a prepared mash of 200 to 300 liters, which after a further 24 hours is transferred to the main mash, which has meanwhile been made ready for making.
During fermentation of the main mash, in addition to bacteriological controls and titration acidity, the pH and degree of buffering are determined at least four times a day, which may lead to the addition of further buffer substances. After about 30 to 32 hours of fermentation, during which the fermenting maize must be carefully stirred from time to time, the climax of the fermentation and thus the maximum acidity is reached.
After fermentation has ended, the main products formed (butyl alcohol and acetone) are obtained in the usual process by fractional distillation. The small amounts of other alcohols do not make a separate extraction seem economical.
The gases escaping during fermentation, hydrogen and carbonic acid, can be used, as is otherwise the case, as can the residues containing valuable feed materials.