ES2709476T3 - Métodos de deshidratación en procesos de fermentación - Google Patents
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Abstract
Un método para deshidratar una vinaza entera en un proceso de fermentación, que comprende: (a) sacarificar un material celulósico con una composición enzimática; (b) fermentar el material celulósico sacarificado con un organismo de fermentación para producir un producto de fermentación, en donde el medio de fermentación comprende una xilanasa y una pectinasa; (c) destilar el producto de fermentación para formar la vinaza entera; y (d) separar la vinaza entera en vinaza fina y torta húmeda, por lo que se transfiere más fase líquida a la vinaza fina, en donde el material celulósico es maíz y el producto de fermentación es etanol.
Description
DESCRIPCION
Metodos de deshidratacion en procesos de fermentacion
Campo de la invencion
La presente descripcion se refiere a un proceso mejorado para deshidratar la vinaza entera en procesos de fermentacion.
Antecedentes de la invencion
Los productos de fermentacion, como el etanol, se producen degradando primero el material que contiene almidon en azucares fermentables por licuefaccion y sacarificacion, y convirtiendo despues los azucares directa o indirectamente en el producto de fermentacion deseado utilizando un organismo de fermentacion. Los productos de fermentacion lfquida como el etanol se recuperan de la masa fermentada (denominado con frecuencia "cerveza" o "masa de cerveza"), por ejemplo, por destilacion, que separa el producto de fermentacion deseado de otros lfquidos y/o solidos. La fraccion restante, conocida como "vinaza entera", se deshidrata y se separa en una fase solida y una lfquida, por ejemplo, por centrifugacion. La fase solida se denomina "torta humeda" (o "granos humedos" o "WDG") y la fase lfquida (sobrenadante) se denomina "vinaza fina". La torta humeda deshidratada se seca para proporcionar "granos secos de destilena" (DDG) utilizados como nutrientes en la alimentacion animal. La vinaza fina se evapora tipicamente para proporcionar el condensado y el jarabe (o "vinaza espesa") o, alternativamente, se pueden reciclar directamente al tanque de papilla como "backset". El condensado puede ser enviado a un metanador antes de ser descargado o puede ser reciclado al tanque de papilla. El jarabe, que consiste principalmente en dextrinas lfmite y azucares no fermentables, puede mezclarse con DDG o agregarse a la torta humeda antes de secar para producir DDGS (granos secos de destilena con solubles).
Las plantas de etanol se han esforzado para mantener la rentabilidad, que es altamente variable dependiendo del precio del mafz, la demanda y el precio de los DDGS, creditos fiscales, consumo de gasolina, exportaciones de etanol y cambios en los estandares de los combustibles renovables (RFS). Nuevas tecnologfas para el ahorro de energfa, mayor rendimiento de etanol y mayor valor para los coproductos, asf como varias tecnologfas de separacion de aceite, contribuyen a la rentabilidad de la produccion de etanol.
Los documentos WO2012/084225 y WO2007/056321 describen el tratamiento de la masa fermentada (cerveza) despues de la fermentacion con enzimas o composiciones enzimaticas para deshidratar la vinaza entera.
El documento WO2011/126897 describe el uso de una composicion enzimatica que comprende una hemicelulasa, una endoglucanasa y el polipeptido GH61 en un proceso de fermentacion para deshidratar la vinaza entera.
La solicitud de patente de EE.UU. n° 2005/0079270 A1 describe un metodo para deshidratar solidos de vinaza de mafz que comprende anadir a los solidos un copolfmero anionico que comprende sal sodica de acido acnlico, sal sodica de acido metacnlico o sal sodica del acido 2-acrilamido-2-metil-1-propanosulfonico para formar una mezcla de agua y solidos coagulados y floculados; y separar el agua de los solidos coagulados y floculados utilizando un dispositivo de deshidratacion.
La deshidratacion de la vinaza entera requiere mucha energfa y puede consumir hasta un tercio de las necesidades de energfa de una planta productora de etanol o un producto de fermentacion similar. Por tanto, existe la necesidad de mejorar los procesos que intervienen en la deshidratacion de la vinaza entera.
Compendio de la descripcion
La presente descripcion se refiere a un metodo de deshidratacion de las vinazas obtenidas de un proceso para la obtencion de un producto de fermentacion.
La presente descripcion se refiere a metodos para deshidratar una vinaza entera en un proceso de fermentacion, que comprende:
(a) sacarificacion de un material celulosico con una composicion enzimatica;
(b) fermentacion del material celulosico sacarificado, con un organismo de fermentacion para obtener un producto de fermentacion en donde el medio de fermentacion comprende una xilanasa y una pectinasa;
(c) destilar el producto de fermentacion para formar la vinaza entera; y
(d) separar la vinaza entera en vinaza fina y torta humeda, con lo que se transfiere mas fase lfquida a la vinaza fina, en donde el material celulosico es mafz y el producto de fermentacion es etanol.
En un proceso para aumentar la deshidratacion de la vinaza entera, la masa de grano entero licuada se puede diluir por tratamiento con una cantidad eficiente de actividad enzimatica de una xilanasa en combinacion con una pectinasa.
El proceso para la deshidratacion de una vinaza entera en un proceso de fermentacion puede comprender secuencialmente las siguientes etapas: a) moler el grano entero; b) licuar el grano entero molido gelatinizado, en presencia de una alfa-amilasa; c) sacarificar el material licuado en presencia de una glucoamilasa; d) fermentar con un microorganismo; e) destilarel material fermentado y sacarificado, proporcionando una fraccion de etanol, en donde la masa licuada se somete a una cantidad efectiva de actividad enzimatica de una xilanasa y una pectinasa durante la fermentacion.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 muestra esquematicamente un proceso de produccion de etanol.
Descripcion de la invencion
El objeto de la presente invencion es proporcionar un metodo para la deshidratacion de vinazas enteras. La adicion al medio de fermentacion de una xilanasa en combinacion con una pectinasa da como resultado una torta humeda con una masa mas seca. La ventaja aqu es el menor consumo de energfa en el secado.
La presente descripcion se refiere a metodos para deshidratar una vinaza entera en un proceso de fermentacion, que comprende:
(a) sacarificacion de un material celulosico con una composicion enzimatica;
(b) fermentacion del material celulosico sacarificado con un organismo de fermentacion para obtener un producto de fermentacion, en donde el medio de fermentacion comprende una xilanasa y una pectinasa;
(c) destilacion del producto de fermentacion para formar la vinaza entera; y
(d) separar la vinaza entera en vinaza fina y torta humeda, con lo que se transfiere mas fase lfquida a la vinaza fina,
en donde el material celulosico es mafz y el producto de fermentacion es etanol.
La vinaza o vinaza entera es el producto que queda despues de que la masa se ha convertido en azucar, fermentado y destilado en etanol. La vinaza se puede separar en dos fracciones, como por centrifugacion o cribado: (1) bizcocho humedo (fase solida) y (2) la vinaza fina (sobrenadante). La fraccion solida o el grano humedo de destilena (DWG) se puede prensar para eliminar el exceso de humedad y luego secar para producir granos secos de destilena (DDG). Despues de que el etanol ha sido retirado de la fraccion lfquida, el lfquido residual se puede evaporar para concentrar el material soluble en solubles de destilena condensados (DS) o secados y molidos para crear solubles secos de destilena (DDS). Los DDS a menudo se mezclan con DDG para formar grano seco de destilena con solubles (DDGS). DDG, DDGS y DWG se denominan colectivamente grano o granos de destilena.
Las enzimas xilanasa y pectinasa se anaden durante la fermentacion. Las enzimas fueron capaces de degradar componentes en el medio de fermentacion.
La frase "medios de fermentacion" o "medio de fermentacion" se refiere al entorno en el que se realiza la fermentacion y comprende el sustrato de fermentacion, es decir, la fuente de carbohidratos que se metaboliza por el organismo u organismos de fermentacion.
El medio de fermentacion puede comprender otros nutrientes y estimuladores de crecimiento para el organismo de fermentacion. Los nutrientes y estimuladores del crecimiento son ampliamente utilizados en la tecnica de la fermentacion e incluyen fuentes de nitrogeno, como el amomaco, vitaminas y minerales, o combinaciones de los mismos. Despues de la fermentacion, se puede separar el producto de fermentacion del medio de fermentacion. El medio de fermentacion se puede destilar para extraer el producto de fermentacion deseado, o el producto de fermentacion deseado se puede extraer del medio de fermentacion mediante tecnicas de microfiltracion o de membrana. Alternativamente, el producto de fermentacion se puede recuperar por arrastre. Los metodos de recuperacion son bien conocidos en la tecnica.
La materia prima para producir etanol es el mafz.
La obtencion de un producto de fermentacion se divide tipicamente en las siguientes etapas principales del proceso:
a) reduccion del tamano de partfcula del material que contiene almidon, por ejemplo, mediante molienda en seco o humedo;
b) coccion del material que contiene almidon en una papilla acuosa para gelatinizar el almidon,
c) licuacion del material gelatinizado que contiene almidon para romper el almidon (por hidrolisis) en maltodextrinas (dextrinas);
d) sacarificacion de las maltodextrinas (dextrinas) para producir azucares de bajo peso molecular (por ejemplo, DP1-2) que pueden ser metabolizados por un organismo de fermentacion;
e) fermentacion del material sacarificado utilizando un organismo de fermentacion adecuado que convierte directa o indirectamente los azucares de bajo peso molecular en el producto de fermentacion deseado;
f) recuperacion del producto de fermentacion, por ejemplo, por destilacion, para separar el producto de fermentacion de la masa de fermentacion.
Como tambien se explica en la anterior seccion "Antecedentes", la vinaza entera es un subproducto que consiste en lfquidos y solidos que quedan despues de la recuperacion (p. ej., por destilacion) de un producto de fermentacion deseado de la masa fermentada (mezcla de cerveza). Segun la invencion, el producto de fermentacion.
La vinaza entera contemplada de acuerdo con la presente descripcion es el producto secundario resultante de un proceso de preparacion del producto de fermentacion, que incluye los pasos a) a c) mencionados anteriormente.
La deshidratacion de la vinaza entera con el fin de eliminar una porcion significativa del lfquido/agua, se puede hacer usando cualquier tecnica de separacion adecuada, incluyendo la centrifugacion, el prensado y la filtracion. La vinaza entera puede ser calentada a una temperatura de aproximadamente 20-60°C. El pH esta en el intervalo de 3 a 7, preferiblemente pH de 3 a 6.
En una realizacion preferida, la deshidratacion se lleva a cabo mediante centrifugacion. Las centrifugadoras preferidas en la industria actual son centnfugas de tipo decantador, preferiblemente centnfugas de tipo decantador de alta velocidad. Un ejemplo de centnfuga adecuada es la serie conica NX 400 de Alfa Laval, que es un decantador de alto rendimiento.
En otra realizacion preferida, la separacion se lleva a cabo utilizando otro equipo de separacion convencional, como las prensas de filtro de placa/marco, prensas de filtro de banda, prensas de tornillo, espesadores y cubiertas por gravedad, o equipos similares.
Despues de que haberse deshidratado, la torta humeda, que contiene aproximadamente 30-35% en peso de solidos secos, se puede secar en un secador de tambor, secador de pulverizacion, secador de anillo, secador de lecho fluidificado, o similares, para producir "Granos Secos de Destilena" (DDG). DDG es un valioso ingrediente del alimento para ganado, aves y peces. Se prefiere proporcionar al DDG un contenido de menos de aproximadamente 10-12% en peso de humedad para evitar la descomposicion por mohos y microbios, y aumentar la vida util. Ademas, un alto contenido de humedad hace que sea mas caro transportar DDG. La torta humeda se seca preferiblemente en condiciones en las que no se desnaturalizan las protemas de la torta humeda. La torta humeda se puede mezclar con un jarabe separado de la fraccion de vinaza fina, y secarse en DDG con solubles (DDGS).
El mafz es la materia prima y el producto de fermentacion es el etanol.
Como se menciono anteriormente, la cerveza (o la masa fermentada) comprende el producto de fermentacion etanol.
El organismo de fermentacion puede ser un organismo fungico, tal como la levadura, o bacteriano. Las bacterias adecuadas pueden ser, por ejemplo, especies de Zymomonas, tales como Zymomonas mobilis y E. coli. Los ejemplos de hongos filamentosos incluyen cepas de especies Penicillium. Los organismos preferidos para la produccion de etanol son levaduras, tales como, por ejemplo, Pichia o Saccharomyces. Levaduras preferidas de acuerdo con la descripcion, son especies de Saccharomyces, en particular Saccharomyces cerevisiae o levadura de panadena.
Ademas, anadiendo las enzimas al medio de fermentacion antes de la etapa de destilacion se obtiene una ventaja ya que las enzimas en las composiciones enzimaticas se inactivan durante la destilacion.
Los procesos para producir etanol a partir del mafz comienzan generalmente con la molienda del mafz en un proceso de molienda seca o de molienda humeda. Los procesos de molienda humeda implican fraccionar el mafz en diferentes componentes donde solo la fraccion de almidon entra en el proceso de fermentacion. Los procesos de molienda en seco implican moler los granos de mafz en harina y mezclar la harina con agua y enzimas. En general, se utilizan dos tipos diferentes de procesos de molienda en seco. El proceso mas utilizado, denominado frecuentemente "proceso convencional", incluye moler el material que contiene almidon y luego licuar el almidon gelatinizado a una temperatura elevada usando tfpicamente una alfa-amilasa bacteriana, seguido de sacarificacion y fermentacion simultaneas (SSF) realizadas en presencia de una glucoamilasa y un organismo de fermentacion. Otro proceso bien conocido, a menudo denominado proceso de "hidrolisis de almidon crudo" (proceso RSH), incluye la molienda del material que contiene almidon, y luego simultaneamente la sacarificacion y la fermentacion del almidon granular por debajo de la temperatura de gelatinizacion inicial, tfpicamente en presencia de una alfa-amilasa acida fungica y una glucoamilasa.
En un proceso para producir etanol a partir del mafz, despues del proceso SSF o RSH, el etanol se destila de la vinaza entera despues de la fermentacion. La papilla libre de etanol resultante, generalmente conocida como vinaza entera, se separa en fracciones solida y lfquida (es decir, torta humeda y vinaza fina que contiene aproximadamente 35 y 7% de solidos, respectivamente). La vinaza fina se condensa a menudo por evaporacion dando una vinaza o jarabe espesos, se recombina con la torta humeda y se sigue secando en granos secos de destilena con grano seco de destilena solubles, con solubles (DDGS) para uso en alimentacion animal. En el metodo que se reivindica, no se utilizan SSF y RSH.
La xilanasa puede ser preferiblemente de origen microbiano, tal como de origen fungico (por ejemplo, Aspergillus, Fusarium, Humicola, Meripilus, y Trichoderma) o de una bacteria (por ejemplo, Bacillus). En una realizacion preferida, la xilanasa se deriva de un hongo filamentoso, preferiblemente derivado de una cepa de Aspergillus, tal como Aspergillus aculeatus; o una cepa de Humicola, preferiblemente humicola lanuginosa. Los ejemplos de xilanasas utiles en los metodos de la presente invencion incluyen, pero sin limitarse a ellos, xilanasa de Aspergillus aculeatus (GeneSeqP:AAR63790; WO 94/21785), xilanasas de Aspergillus fumigatus (documento WO 2006/078256), y xilanasas de Thielavia terrestris NRRL 8126 (documento WO 2009/079210). La xilanasa puede ser preferiblemente una endo-1,4-beta-xilanasa, mas preferiblemente una endo-1,4-beta-xilanasa de GH 10 o GH 11. Los ejemplos de xilanasas comerciales incluyen SHEARZYME™, BIOFEED WHEAT™, HTec y HTec2 de Novozymes A/S, Dinamarca. Los ejemplos de beta-xilosidasas utiles en los metodos de la presente invencion incluyen, pero sin limitarse a ellos, beta-xilosidasa de Trichoderma reesei (UniProtKB/TrEMBL numero de registro Q92458), Talaromyces emersonii (numero de registro Swiss Prot Q8X212) y Neurospora crassa (numero de registro SwissProt Q7SOW4).
Los ejemplos de xilanasas bacterianas adecuadas incluyen xilanasas derivadas de una cepa de Bacillus, tales como Bacillus subtilis, como la descrita en la patente de EE.u U. 5.306.633.
Las xilanasas contempladas disponibles comercialmente incluyen SHEARZYME™, BIOFEED WHEAT™ (de Novozymes AJS), Econase CE™ (de AB Enzymes), Depol 676™ (de Biocatalysts Ltd.) y SPEZYME (TM) CP (de Genencor Int.).
La xilanasa se puede anadir en una cantidad efectiva en el intervalo de 0,16 x 106 a 460 x 106 unidades por tonelada de masa de cerveza o medio de fermentacion.
Determinacion de la actividad de la xilanasa (FXU)
La actividad de la endoxilanasa se determina mediante un ensayo en el que la muestra de xilanasa se incuba con un sustrato de remazolxilano (4-O-metil-D-glucurono-D-xilano tenido con Remazol Brilliant Blue R, Fluka), pH 6,0. La incubacion se lleva a cabo a 50°C durante 30 min. El fondo del sustrato tenido no degradado se precipita con etanol. El restante color azul en el sobrenadante se determina espectrofotometricamente a 585 nm y es proporcional a la actividad de endoxilanasa. La actividad de endoxilanasa de la muestra se determina en relacion con un estandar enzimatico.
La pectinasa usada en los metodos de acuerdo con la presente descripcion puede ser cualquier pectinasa, en particular de origen microbiano, en particular de origen bacteriano, tal como una pectinasa derivada de una especie dentro de los generos Bacillus, Clostridium, Pseudomonas, Xanthomonas y Erwinia, o de origen fungico, como una pectinasa derivada de una especie dentro de los generos Trichoderma o Aspergillus, en particular de una cepa dentro de las especies A. niger y A. aculeatus. Las pectinasas contempladas comercialmente incluyen Pectinex Ultra-SPL™ (de Novozymes), Pectinex Ultra Color (de Novozymes), Rohapect Classic (de AB Enzymes) y Rohapect 10L (de AB Enzymes). Se puede anadir pectinasa en una cantidad efectiva en el intervalo de 1,4 x 109 a 23.500 x 109 Unidades por tonelada de medio de fermentacion.
Determinacion de la unidad de pectintranseliminasa (PECTU)
El metodo se basa en la degradacion enzimatica de una solucion de pectina por una reaccion con transeliminasa, los dobles enlaces formados producen un aumento de la absorcion a 238 nm, que es seguido por un espectrofotometro. Condiciones de reaccion
Temperatura: 30°C ± 0,5°C.
pH: 3,50 ± 0,02
Sustrato: Pectina al 0,24% (Obipektin, Brown Ribbon Pure, Art. No. 1.1B00.A. Lote No. 0304)
Concentracion de enzima: 1,9-2,3 PECTU/mL
Tiempo de reaccion: 6 minutos
Tiempo de medida: 5 minutos
Longitud de onda: 238 nm
La actividad se determina en relacion con un estandar de PECTU. El resultado se da en las mismas unidades que para el estandar, que se designa: PECTU- Unidad Pectintranseliminasa.
El termino "alfa-amilasa" significa una alfa-1,4-glucano-4-glucanohidrolasa (EC 3.2.1.1) que cataliza la hidrolisis del almidon y otros oligo- y poli-sacaridos 1,4-glucosfdicos lineales y ramificados.
En una realizacion, la xilanasa se anade en una cantidad de 1-30, por ejemplo, 5-30, 7-25, 10-20, 10-17 o 12-15 microgramos/g de solidos secos.
En una realizacion, la pectinasa se anade en una cantidad de 0,01-1,0, por ejemplo, 0,015-0,08, 0,015-0,06, 0,015 0,04, o 0,02-0,03 FXU/g de solidos secos.
Las etapas de sacarificacion y fermentacion se llevan a cabo secuencialmente. La xilanasa y la pectinasa se anaden durante la fermentacion.
Como se menciono anteriormente, el organismo fermentador es preferiblemente levadura, por ejemplo, una cepa de Saccharomyces cerevisiae o Saccharomyces diastaticus. En una realizacion ventajosa se usa una cepa de levadura de Saccharomyces diastaticus (SIHA Amyloferm®, E. Begerow GmbH & Co, Langenlonsheim, Alemania) ya que su actividad de exo-amilasa puede dividir el almidon lfquido y tambien dextrina, maltosa y melibiosa.
En la etapa de licuefaccion, el almidon gelatinizado (masa aguas abajo) se rompe (se hidroliza) en maltodextrinas (dextrinas). Para lograr la hidrolisis del almidon, se anade una enzima adecuada, preferiblemente una alfa-amilasa. La licuefaccion puede ser realizada como un proceso de papilla caliente de tres etapas. La suspension se calienta a una temperatura entre 60-95°C, preferiblemente 80-85°C, y se puede anadir alfa-amilasa para iniciar la licuefaccion (adelgazamiento). Luego, la suspension se puede cocer en je t a una temperatura entre 95 y 140°C, preferiblemente 105-125°C, durante aproximadamente 1-15 minutos, preferiblemente durante aproximadamente 3-10 minutos, especialmente alrededor de 5 minutos. La papilla se enfna a 60-95°C y se puede anadir mas alfa-amilasa para completar la hidrolisis (licuefaccion secundaria). El proceso de licuefaccion se lleva a cabo generalmente a un pH de 4,0 a 6,5, en particular a un pH de 4,5 a 6.
La etapa de sacarificacion y la etapa de fermentacion se realizan como etapas de proceso separadas. La sacarificacion se realiza en presencia de una enzima sacarificadora, por ejemplo una glucoamilasa, una beta-amilasa o amilasa maltogenica. Opcionalmente se agrega una fitasa y/o una proteasa.
La sacarificacion se puede llevar a cabo usando condiciones bien conocidas en la tecnica, con una enzima sacarificadora, por ejemplo, beta-amilasa, glucoamilasa o amilasa maltogenica, y opcionalmente una enzima desramificadora, como una isoamilasa o una pullulanasa. Por ejemplo, un proceso completo de sacarificacion puede durar de aproximadamente 24 a aproximadamente 72 horas.
La sacarificacion se realiza tfpicamente a una temperatura de 20-75°C, preferiblemente de 40-70°C, tfpicamente alrededor de 60°C, y a un pH entre 4 y 5, normalmente a aproximadamente pH 4,5.
Durante la fermentacion, el medio de fermentacion es sometido a una composicion enzimatica de acuerdo con la presente descripcion. La composicion enzimatica comprende una xilanasa y una pectinasa.
El proceso de la presente descripcion puede comprender ademas, antes de licuar el material que contiene almidon, las etapas de:
- reducir el tamano de partfcula del material que contiene almidon, preferiblemente mediante molienda; y
- formar una papilla que comprende el material que contiene almidon, y agua.
La suspension acuosa puede contener desde 10 a 55% p/p de solidos secos (DS), preferiblemente 25-45% p/p de solidos secos (DS), mas preferiblemente 30-40% p/p de solidos secos (DS) del material que contiene almidon. La suspension se calienta por encima de la temperatura de gelatinizacion y se puede anadir una alfa-amilasa, preferiblemente una alfa-amilasa bacteriana y/o acida fungica, para iniciar la licuefaccion (adelgazamiento). La papilla se puede cocer en je t para gelatinizar aun mas la suspension antes de someterla a una alfa-amilasa en el paso (a).
El material que contiene almidon es mafz que se puede moler y los metodos comprenden una etapa de molienda del mafz antes de la etapa (a). En otras palabras, la descripcion tambien abarca metodos en los que el material que contiene almidon puede obtenerse por un proceso que comprende molienda del mafz, preferiblemente molienda en seco, por ejemplo mediante molinos de martillo o de rodillo.
La molienda tambien se entiende como trituracion, como lo es cualquier proceso adecuado para abrir los granos individuales y exponer el endospermo para su posterior procesamiento. Dos procesos de molienda se utilizan normalmente en la produccion de alcohol: molienda humeda y seca. La expresion "molienda en seco" denota la molienda del grano entero. En la molienda en seco todo el grano se muele y se utiliza en la parte restante del proceso de formacion de masa. La masa se puede proporcionar formando una papilla que comprende el material molido que contiene almidon y agua de elaboracion. El agua de preparacion puede calentarse a una temperatura adecuada antes de ser combinada con el material que contiene almidon molido para conseguir una temperatura de la masa de 45 a 70°C, preferiblemente de 53 a 66°C, mas preferiblemente de 55 a 60°C. La masa se forma tfpicamente en un tanque conocido como tanque de papilla.
Despues de la fermentacion, el etanol del producto de fermentacion se puede separar del medio de fermentacion. La papilla se puede destilar para extraer el etanol del medio de fermentacion mediante tecnicas de microfiltracion o de
membrana. Alternativamente, el producto de fermentacion se puede recuperar por arrastre. Los metodos para recuperar los productos de fermentacion son bien conocidos en la tecnica. Tfpicamente, se obtiene etanol con una pureza de hasta, por ejemplo, aproximadamente 96% vol. de etanol.
Despues de la finalizacion del proceso de fermentacion, el material restante se considera la vinaza entera. Tal como se usa en el presente documento, el termino "vinaza entera" incluye el material que queda al final del proceso de fermentacion despues de la recuperacion del etanol. El producto de fermentacion se puede recuperar opcionalmente por cualquier metodo conocido en la tecnica. La vinaza entera se separa o se reparte en una fase solida y una fase ifquida mediante uno o mas metodos para separar la vinaza fina de la torta humeda. Tales metodos incluyen, por ejemplo, centrifugacion y decantacion. El producto de fermentacion puede ser recuperado antes de separar la vinaza entera en una fase solida y una fase lfquida.
Asf pues, los metodos de la descripcion comprenden la destilacion para obtener el etanol como producto de fermentacion. La fermentacion y la destilacion se llevan a cabo secuencialmente, seguidas opcionalmente de una o mas etapas de proceso para continuar la refinacion del producto de fermentacion.
El subproducto acuoso (vinaza entera) del proceso de destilacion se separa en dos fracciones, por ejemplo, por centrifugacion: grano humedo (fase solida) y vinaza fina (sobrenadante). Los metodos de la descripcion comprenden ademas la separacion de la vinaza entera producida por destilacion, en grano humedo y vinaza fina; y puede comprender reciclar la vinaza fina al material que contiene almidon antes de la licuacion. La vinaza fina puede ser reciclada a la papilla de grano entero molido. La fraccion de grano humedo se puede secar, tfpicamente en un secador de tambor. El producto seco se conoce como granos secos de destilena, y se pueden utilizar como se menciono anteriormente como pienso de alta calidad para animales. La fraccion de vinaza fina puede evaporarse proporcionando dos fracciones (vease la Fig. 1 (i) una fraccion de condensado de 4-6% de DS (principalmente de almidon, protemas, aceite y componentes de la pared celular), y (ii) una fraccion de jarabe, que consiste principalmente en dextrinas lfmite y azucares no fermentables, que puede ser introducida en un secador junto con los granos humedos (desde la etapa de separacion de la vinaza entera) para proporcionar un producto denominado grano seco de destilena con solubles, que tambien se pueden utilizar como pienso para animales. Vinaza fina es el termino usado para el sobrenadante de la centrifugacion de la vinaza entera. Tfpicamente, la vinaza fina contiene 4-6% de DS (principalmente almidon y protemas) y tiene una temperatura de alrededor de 60-90°C. En otra realizacion, la vinaza fina no se recicla, pero la corriente de condensado de la vinaza fina evaporada se recicla a la papilla que contiene el grano entero molido para ser cocido en jet.
Los expertos en la tecnica conocen mas detalles sobre como llevar a cabo la licuefaccion, la sacarificacion, la fermentacion, la destilacion y la recuperacion del etanol.
Los metodos para deshidratar las vinazas de un producto de fermentacion son conocidos en la tecnica. Estos metodos incluyen decantar o separar de cualquier otra forma la vinaza entera en torta humeda y vinaza fina. Veanse, por ejemplo, las patentes de EE. UU. n° 6.433.146, 7.601.858 y 7.608.729, y la Publicacion de Solicitud de los Estados Unidos n° 2010/0058649.
El etanol del producto de fermentacion puede ser recuperado opcionalmente del medio de fermentacion usando cualquier metodo conocido en la tecnica que incluye, pero sin limitarse a ellos, cromatograffa, procedimientos electroforeticos, solubilidad diferencial, destilacion o extraccion. Por ejemplo, el alcohol se separa del material celulosico fermentado y se purifica por metodos de destilacion convencionales mencionados anteriormente. Se puede obtener etanol con una pureza de hasta aproximadamente 96 % en volumen que, por ejemplo, puede ser utilizado como etanol para combustible, etanol para bebidas, es decir licores neutros potables, o etanol industrial.
La presente invencion se describe con mas detalle mediante los ejemplos que siguen.
Ejemplos
Deshidratacion de la vinaza entera
En la especificacion, una mejor capacidad de deshidratacion de la vinaza entera da como resultado una torta humeda con una masa mas seca. La ventaja aqrn es un menor consumo de energfa durante el secado.
Para ese ejemplo, se probo y se determino la capacidad de deshidratacion de la vinaza entera durante la centrifugacion.
Se probaron cuatro configuraciones diferentes.
En el primer fermentador (Fermentador #1), el cultivo de fermentacion no se trato con enzimas (0 g/t de xilanasa; 0 g/t de pectinasa), en los fermentadores segundo, tercero y cuarto (Fermentador n° 2 a n° 4) el cultivo de fermentacion se trato con la composicion enzimatica que comprende una xilanasa y una pectinasa desde el inicio de la fermentacion en diferentes concentraciones (de 25 g/t a 200 g/t de xilanasa y de 25 g/t a 200 g/t de pectinasa).
Los ensayos se realizaron en una escala de fermentacion de 2 L. Despues de la destilacion, se tomaron muestras de los fermentadores con la vinaza entera y la vinaza entera se centrifugo para obtener una vinaza fina y la torta humeda. La deshidratacion [%] se calculo a partir de la masa de vinaza fina [mg] dividida por la masa de vinaza entera [mg] multiplicada por 100.
En una realizacion, el proceso de produccion de etanol a partir de mafz se realizo como sigue:
A) Proceso para la obtencion de productos de fermentacion
a) Reduccion del tamano de partfcula del material que contiene almidon mediante molienda
- el mafz (Compama Pannonia, Hungna) se molio a un tamano de partfcula de < 2 mm (molino de cafe, compama Brunn)
b) Formacion de una papilla que comprende el material que contiene almidon, y agua
- Se anadieron 1,5 kg de mafz molido a 4,96 L mL de agua caliente de planta (dureza del agua 3,57 mmol/L) a 35°C para obtener una solucion solida de 25% con un volumen final de 6 L en un fermentador Biostat C (comparM a Sartorius), lo que lleva a un pH de aproximadamente 5,6.
c) Licuefaccion del material que contiene almidon
- la temperatura se aumento a 90°C
-1 mL de a-amilasa "a-amilasa VF-Kartoffel" (Schliessmann, Nr. 5049) se diluyo en 10 mL de agua de planta y luego se anadio a la papilla la amilasa diluida.
- la temperatura se aumento a 90°C
- el fermentador se incubo durante 90 minutos a 90°C y 450 rpm
- la papilla se enfrio a 30°C, el pH se ajusto a ~4 con H2SO4 al 30%
d) Sacarificacion del material licuado obtenido
- Se diluyeron 1,5 mL de glucoamilasa "Amylase GA 500" (Schliessmann, Nr. 5042) en 10 mL de agua de planta esteril y luego se anadio a la papilla la glucoamilasa diluida, que es el material licuado sacarificado.
e) Fermentacion
- se anadieron 1,8 g de (NH4)2SO4 (es decir, 300 ppm de sulfato amonico) a los 6 L de material licuado sacarificado. - se agito el material licuado sacarificado que contema 300 ppm de sulfato amonico en el fermentador Biostat C, a 800 rpm durante 5 minutos para distribuir todo de manera uniforme.
- el material licuado sacarificado que contema 300 ppm de sulfato amonico (masa) se distribuyo en porciones individuales de 1500 g en cuatro fermentadores Biostat B 2L (compama Sartorius) que contienen un mezclador de herradura.
- Preparacion del stock de enzimas: 2,5 g de la pectinasa (Pec3) con 90349 U/mL y 2,5 g de la xilanasa (Xyl16) con 10027 U/mL se anadieron a una probeta graduada de 50 mL, y se lleno hasta 50 mL con agua de planta.
El stock de enzima se paso a un tubo de 50 mL y luego se almaceno a 4°C hasta su uso al cabo de una hora.
- Los siguientes volumenes de la preparacion de stock de enzimas se agregaron al fermentador de 2L Biostat B que contema 1500 g del material licuado sacarificado que contiene 300 ppm de sulfato amonico.
Fermentador #1: 0 mL de la preparacion de stock enzimatico que conduce a 0 g/t de pectinasa y 0 g/t de xilanasa Fermentador #2: 0,75 mL de la preparacion enzimatica que conduce a 25 g/t de pectinasa y 25 g/t de xilanasa Fermentador #3: 2,25 mL de la preparacion enzimatica que conduce a 75 g/t de pectinasa y 75 g/t de xilanasa Fermentador #4: 6,00 mL de la preparacion enzimatica que conduce a 200 g/t de pectinasa y 200 g/t de xilanasa - Propagacion de la levadura: 300 mL de medio YNB (base nitrogenada de levadura) autoclavado, mas glucosa con medio de glucosa 10 g/L que resulta en un pH 5,7 en frascos de cultivo de 1 L, que habfan sido inoculados con 2 mL de levadura (Etanol RED, compama Fermentis) a partir de una crio-reserva a -80°C que contema glicerol al 20%, se incubaron durante 23 horas (30°C, 150 rpm) llevando al cultivo de levadura.
- Cada uno de los cuatro fermentadores (Fermentador #1 a #4) se inoculo mediante 60 mL del cultivo de levadura.
- El cultivo de los fermentadores se llevo a cabo a 30°C, a 150 rpm, sin control de pH durante 92,5 horas.
- Se tomaron muestras de 7 mL dos veces al dfa con una pipeta recortada para controlar el progreso de la fermentacion (concentracion de etanol). Las muestras se pasaron a tubos de 15 mL y se centrifugaron a 4470 g durante 10 minutos a 4°C, y se almacenaron a -20°C hasta mas analisis.
f) Finalizacion del proceso de fermentacion y destilacion del etanol
- Para finalizar el proceso de fermentacion y destilar el etanol, los cuatro fermentadores se incubaron a 80°C durante 20 min y se agitaron a 150 rpm.
g) Toma de muestras para analisis de deshidratacion
- Despues de 20 minutos a 80°C y agitando a 150 rpm, se tomaron 3 x 40 a 45 mL de muestra de cada fermentador con una pipeta de 50 mL y se llenaron en tubos de 50 mL (muestras de vinaza entera).
B) Determinacion de la actividad del producto enzimatico:
Solucion de DNSA: Para la solucion de DNSA se usaron los siguientes compuestos:
- se disolvieron 5,00 g de acido 3,5-dinitrosalidlico (DNSA) en 300 mL de H2O destilada
- se anaden 50 mL de una solucion de NaOH/KOH (KOH 4M NaOH 4M) gota a gota
- se anaden 150 g de tartrato de K-Na tetrahidrato
- se enfna la solucion a temperatura ambiente
- se anade H2O destilada hasta 500 mL de volumen final
- se almacena en la oscuridad
a) Pectinasa
Sustratos: Acido poligalacturonico (Sigma 81325)
Los sustratos se disolvieron en tampon hasta una concentracion de 0,8% (p/v)
Tampon: acetato sodico 50 mM, pH 4,5
Para el ensayo se utilizaron placas de microtitulacion de PCR de 96 pocillos (comparMa Greiner). Las enzimas se diluyeron en tampon. Se mezclaron 90 pL de sustrato y 10 pL de solucion de enzima. Se midio un blanco reemplazando la solucion de enzima con agua. La incubacion se llevo a cabo durante 30 minutos a 37°C, seguido de una etapa de inactivacion enzimatica de 5 minutos a 99°C y seguido de enfriamiento durante 10 minutos a 4°C. En una segunda placa de microtitulacion de PCR de 96 pocillos (comparM a Greiner) se incubaron 50 pL de la mezcla incubada de sustrato-enzima con 50 pL de la solucion de DNSA a 98°C durante 10 minutos y despues se enfrio a 4°C y se incubo durante 5 minutos a 4°C.
Se transfirieron 100 pL de la mezcla de reaccion a un pocillo de una placa de microtitulacion de fondo plano transparente de 96 pocillos, y se midio la adsorcion a 540 nm mediante un lector de placas de microtitulacion (Tecan M1000).
b) xilanasa
Sustratos: Xilano de madera de abedul (Sigma X0502)
El sustrato se disolvio en tampon a una concentracion del 1,5% (p/v)
Tampon: acetato sodico 100 mM, pH 5,0, que contiene CaCl220 mM y 0,4 g/L de Tween20
Para el ensayo se utilizaron placas de microtitulacion de PCR de 96 pocillos (comparM a Greiner). Las enzimas se diluyeron en tampon. Se mezclaron 90 pL de sustrato y 10 pL de solucion de enzima. Se midio un blanco reemplazando la solucion de enzima con agua. La incubacion se llevo a cabo durante 20 minutos a 40°C, seguido de una etapa de inactivacion enzimatica de 5 minutos a 99°C y seguido de enfriamiento durante 5 minutos a 4°C. Se anadieron 45,5 pL de la solucion de DNSA a la placa de microtitulacion de PCR de 96 pocillos mediante un multi-gota (comparM a Fisher-Scientific) y luego la placa se incubo a 98°C durante 10 minutos, se enfrio a 4°C y se incubo durante 5 minutos a 4°C.
Se transfirieron 100 pL de la mezcla de reaccion a un pocillo de una nueva placa de microtitulacion de fondo plano transparente de 96 pocillos, y luego se midio la absorcion a 540 nm mediante un lector de placas de microtftulo (Tecan M1000).
La actividad se calcula como Unidades por pL o mg de producto enzimatico. Se define 1 unidad como la cantidad de extremos reductores formados en pmoles por minuto. Las actividades enzimaticas se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1
Ejemplo 1
Despues del proceso de fermentacion y la destilacion del etanol, se realizaron los siguientes pasos para analizar la deshidratacion:
Determinacion de la masa de la vinaza entera
1. Se transfirieron aproximadamente 40 mL de la vinaza entera, despues de la destilacion a 80°C, a un tubo Falcon de 50 mL (FT1) y se determino la masa (masa FT1sample). La masa del FT1 vado se determino previamente (masa FT1empty). El FT1 con la muestra (FT1sample) se centrifugo a 800 g durante 10 minutos.
Determinacion de la masa de la vinaza fina
2. El sobrenadante se decanto en un nuevo tubo Falcon (FT2) de 50 mL, lo que condujo a la vinaza fina, y se determino la masa (masa FT2sample). La masa de FT2 se determino previamente (masa FT2empty).
Calculo de la masa de la muestra:
Masa de la vinaza entera [mg] = [masa de FT1sample - masa de FT1empty] Masa de la vinaza fina (sobrenadante) [mg] = [masa de FT2sample - masa de FT2empty] Calculo de la deshidratacion
Deshidratacion [%] = Masa de vinaza fina [mg] / Masa de vinaza entera [mg] * 100
Tabla 2
La Tabla 2 muestra la cantidad de vinaza fina (sobrenadante) en % de la vinaza entera eliminada despues de la centrifugacion a 800 rpm durante 10 minutos. Aqrn se demostro que un tratamiento con la composicion enzimatica que comprende una xilanasa y una pectinasa hace aumentar la capacidad de deshidratacion en un 3,5% usando 25 ppm de cada enzima, un 4,0% usando 75 ppm de cada enzima y un 4,6% usando 200 ppm de cada enzima.
Claims (2)
1. Un metodo para deshidratar una vinaza entera en un proceso de fermentacion, que comprende:
(a) sacarificar un material celulosico con una composicion enzimatica;
(b) fermentar el material celulosico sacarificado con un organismo de fermentacion para producir un producto de fermentacion, en donde el medio de fermentacion comprende una xilanasa y una pectinasa;
(c) destilar el producto de fermentacion para formar la vinaza entera; y
(d) separar la vinaza entera en vinaza fina y torta humeda, por lo que se transfiere mas fase lfquida a la vinaza fina, en donde el material celulosico es mafz y el producto de fermentacion es etanol.
2. El metodo segun la reivindicacion 1, en donde el organismo de fermentacion es una bacteria, una levadura o un hongo.
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