BRPI0712977A2

BRPI0712977A2 - produção de ácido láctico a partir do suco de beterraba açucareira bruta

Info

Publication number: BRPI0712977A2
Application number: BRPI0712977-7A
Authority: BR
Inventors: Diana Visser; Jan Van Breugel; Bruijn Johannes Martinus De; Paul A Campo
Original assignee: Purac Biochem Bv
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2012-10-09
Also published as: EP2038422B1; PL2038422T3; WO2008000699A1; ES2530508T3; US8211675B2; US20100062503A1; EP2038422A1; BRPI0712977B1; EP1870474A1

Abstract

PRODUçãO DE áCIDO LáCTICO A PARTIR DO SUCO DE BETERRABA AçUCAREIRA BRUTA. A presente invenção refere-se ao campo da prepração de ácido láctico por meio de fermentação em escala industrial em que um suco de beterraba bruta concentrada tendo um brix de pelo menos 60 é usado como substrato de fermentação. Depois da diluição à concentração de açúcar inícial desejada e adição de nutrientes, o suco é fermentado para dar ácido láctico/lactado por meio de um microorganismo produtor de ácido láctico. O dito suco de beterraba bruta conentrado é preparado por: lavagem e corte de beterraba açucareira e extração do "cossettes" em água, remoção da polpa de beterraba do suco de beterraba bruta resultante, e tratamento térmico do suco de beterraba bruta a uma temperatura ente 50 e 90 graus Celsius, e concentração de suco de beterraba bruta para pelo menos 60 Brix. Suco de beterraba concentrada tendo um Brix de pelo menos 60 é estável a armazenagem, náo é muito sensível a infecções, e pode ser usado como substrato de fermentação.

Description

relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PRODUÇÃO DE ÁCIDO LÁCTICO A PARTIR DO SUCO DE BETERRABA AÇUCAREI- RA BRUTA".

A presente invenção refere-se ao campo da preparação de áci- do láctico por meio de fermentação.

Ácido láctico, seus sais e ésteres foram usados por longo tempo como aditivo alimentício e em várias aplicações químicas e farmacêuticas. Mais recentemente, ácido láctico foi usado na produção de polímeros biode- gradáveis tanto como substituição para os presentes materiais plásticos quanto vários novos usos onde biodegradabilidade é necessária ou desejada tais como para implantes médicos, suturas solúveis e fármacos de liberação controlada. A produção de ácido láctico é comumente realizada por fermen- tação por meio de um microorganismo tais como bactérias, leveduras e fun- gos. O meio de fermentação consiste em um substrato de carboidrato junta- mente com nutrientes proteináceos e minerais adequados. Um substrato de fermentação comumente usado é o açúcar branco. Açúcar é o mais impor- tante contribuidor para a fabricação do preço de custo de ácido láctico. Prin- cipais reduções na fabricação de preço de custo de ácido láctico podem, portanto, ser realizadas se uma fonte de carboidrato menos cara pode ser usada do que o açúcar branco. Para esse fim vários grupos de pesquisa ten- taram fermentar subprodutos mais econômicos e intermediários de uma planta de produção de açúcar para dar ácido láctico. No entanto, enquanto a fermentação dessas fontes de açúcar bruto para dar etanol pode ser feita prontamente, problemas são encontrados quando da tentativa de usar esses substratos em escala industrial para a fermentação para dar ácido láctico. Esses problemas estão no campo da fermentabilidade, armazenagem - es- tabilidade, sensibilidade a infecções, a purificação do produto de fermenta- ção (isto é, processamento a jusante) etcetera.

Exemplos da técnica anterior em que a fermentação de suco de beterraba açucareira para dar etanol é descrita são suco espesso bruto: fa- bricação, armazenagem e utilização como material de alimentação na indús- tria biotecnológica. G. Marke, Ρ. V. Schmidt, R. Rieck, B. Senge, B. Steiner, Zuckerindustrie ( 1992), 117 (12), 984-90. A fabricação de álcool a partir de beterrabas açucareiras. K. Antal, Zeitschrift fuer Spiritusindustrie ( 1911) 34, 239-40, 252-3 e Produção combinada de etanol e açúcar branco. K. Aust- meyer, H Roever, H. Zuckerindustrie ( 1988) 113 (9), 765-72.

A literatura na fermentação de suco de beterraba açucareira pa- ra ácido láctico em escala industrial não é assim abundante. Por exemplo, na preparação industrial de ácido láctico a partir de beterrabas açucareiras, A. Bonelli, G.Gulinelli, lnd. Chim. Met. (1918), 5 121-4, a fermentação de su- co de beterraba açucareira bruta para dar ácido láctico é descrita. Esse suco de beterraba açucareira bruta apenas tem uma concentração de cerca de 16% em peso de açúcar. Antes de mais nada, como indicado na publicação essa fonte de carboidrato é muito sensível a infecções e freqüentemente já infectou para começar. Isso é confirmado em, por exemplo, F. Hollaus e ou- tros: " Experimental studies on bactéria degradation in sugar of sugar in raw juice and preliminq juice." Sucrerie beige, vol 99, No 5, (1980), p. 183. Com fábricas de beterraba açucareira funcionando em campanhas e apenas ati- vas 3-4 meses ao ano, está claro que isso provê problemas de armazena- gem. Em segundo lugar, com uma concentração de apenas 16% dos custos de transporte e armazenagem tornaram esse processo relativamente caro. Esses fatores se tornaram suco de beterraba açucareira bruta inadequado como um substrato para a fermentação para dar ácido láctico em uma esca- la industrial.

Na produção de ácido láctico a partir de beterraba açucareira e casos de inativação de fermentação de ácido láctico. IP. Zakharov, M. F. Federova, Mikrobiologiya (1946), 15(No. 1 ), 57-66, também a fermentação de suco de beterraba açucareira bruta é descrita. Zakharov relata que o a - quecimento ou esterilização do suco de beterraba açucareira tem um efeito prejudicial na fermentação. O xarope de beterraba, preparado por evapora- ção de suco de beterraba para dar um teor de açúcar de 51% foi diluído e fermentação foi experimentada: virtualmente nenhuma fermentação ocorreu tanto com quanto sem adição de giz (provavelmente hidróxido de cálcio quer se dizer aqui). Zakharov concluiu que um meio de tal xarope prova inade- quado para a fermentação para dar ácido láctico.

No conjunto, deve ser concluído que a fermentação desses substratos brutos tal como suco de beterraba açucareira bruta para dar ácido láctico em escala industrial prova ser muito mais complicado do que uma fermentação comparável para dar etanol. O mesmo pode ser dito da purifi- cação (isto é, o processamento a jusante) de ácido láctico preparada por fermentação em comparação com a purificação de etanol fermentativamente preparado.

Verificou-se que suco de beterraba bruta concentrado tendo um Brix de pelo menos 60 (isto é, quantidade de açúcar em peso por 100 gra- mas de líquido) é um substrato adequado para a fermentação em escala industrial para dar ácido láctico e ou lactato. Além disso, ele parece ser está- vel a armazenagem e não é muito sensível a infecções. Além do mais, fer- mentação para dar ácido láctico é alcançável com o mesmo rendimento, pu- reza química, pureza ótica, claridade e sabor como ácido láctico obtido a partir de fermentação de sacarose, isto é, açúcar branco.

Quando do processamento de beterraba açucareira, a beterraba é usualmente lavada com água, é cortada e os "cossettes" resultantes são extraídos com água, a partir dos quais a polpa de beterraba é removida e o suco bruto resultante é ulteriormente processado para dar açúcar por purifi- cação subseqüente de suco [isto é, tradicionalmente por adição de cal para um pH de cerca de 11,2 na pré-calcificação, seguido por adição de cal exce- dente na calcificação principal (a alcalinização), adição de dióxido de carbo- no nos dois estágios subseqüentes (a carbonação), em que depois da pri- meira carbonação a lama de carbonação/cal é removida] resultando em suco ralo, o dito suco ralo é concentrado resultando em suco espesso, o dito suco espesso é submetido a uma ou mais estapas de cristalização para formar vários graus de açúcar, e melaços como subproduto.

O suco de beterraba bruta concentrado usado no processo de acordo com a invenção é preparado por submissão do suco bruto (cerca de .16% de açúcar) a uma etapa de aquecimento a uma temperatura entre 50 e .90°C e concentração do suco de beterraba bruto para dar um Brix de pelo menos 60 (isto é, sem adição de cal para um pH de cerca de 11,2 e adição de cal excedente seguido por adição de dióxido de carbono em dois estágios com remoção de lama de carbonação/cal). Opcionalmente uma etapa de separação de líquido-sólido é realizada entre a etapa de aquecimento e a etapa de concentração e/ou depois da etapa de concentração para remover sujeira residual, partículas de beterraba pequenas e proteína. A etapa de concentração é usualmente realizada por evaporação a uma temperatura entre 50 e 120°C. É também possível combinar etapa de aquecimento e concentração. Se etapas de aquecimento e concentração forem combina- das, a separação de líquido/sólido opcional é conduzida ou antes do aque- cimento/concentração ou depois. O suco de beterraba bruta concentrado pode ser adicionado em forma diluída para dar a fermentação. Usualmente o suco de beterraba bruta concentrado é diluído para dar uma concentração de cerca de 16-30 Brix, mais de preferência de 20-30 Brix.

O processamento de beterraba açucareira para dar açúcar branco e a preparação de suco de beterraba bruta concentrado a partir do suco de beterraba bruto que é um intermediário do processo de processa- mento de beterraba é esquematicamente ilustrado pela figura 1.

Verificou-se que melaços e suco espesso preparados durante o processamento de beterraba açucareira não é muito adequado para a fer- mentação para dar ácido láctico em escala industrial. Em querer estar ligado pela teoria pensou-se que durante o processamento do suco de beterraba açucareira bruto para suco espesso e ulteriormente para melaços, várias impurezas ou são concentradas nos melaços e/ou suco espesso ou são in- traduzidas por reações que ocorrem durante a alcalinização, tratamentos térmicos e com dióxido de carbono (por exemplo, os resultados de reações de Maillard). As ditas impurezas interferem com reações de fermentação para dar ácido láctico em escala industrial. Isso é também mostrado nos da- dos experimentais. Algumas vezes as impurezas podem ser removidas por vários pré-tratamentos, mas isso exige etapas de purificação adicionais, tra- balhosas e onerosas.

Goeksungur y e outros: "Batch and continuous production of Iac- tic acid from beet molasses Iactobacillus delbrueckii IFO 3202" Journ. Chem. Teehn. and Biotechn., vol 69, No.4, (1997) pp. 399-404, and Goeksungur y e outros:"Produetion of Iaetie acid from beet molasses by calcium alginate im- mobilized Iactobacillus delbrueckii IFO 3202" Journ. Chem. Teehn. and Bio- teehn., vol 74, No.2, (1999) pp. 131-136, descrevem a produção de ácido láctico a partir melaços de beterraba pré-tratados com bactérias específicas. O pré-tratamento compreende a acidificação com ácido sulfúrico, ebulição, centrifusão, filtração e clarificação, incluindo pasteurização. As experiências foram conduzidas em frascos de 250 cm3 e 500 cm3 e foi indicado que mesmo com uma baixa concentração açúcar inicial (28,2 g/l) o açúcar não foi totalmente utilizado. Os autores atribuem que para a natureza complexa de melaços (isto é, impurezas).

Monteagudo J. M. e outros: " Kinetics of Iactic acid fermentation by Iactobacillus delbruekii grown on beet molasses". Journ. Chem. Teehn. And Biotechn., vol 68, No 3, (1997), pp 271-276 descreve as experiências de fermentação de ácido láctico nos melaços de beterraba em escala de labora- tório (frascos de 5 litros). Aqui também o açúcar não foi totalmente utilizado.

El Sherbiny e outros:" Utilisation of beet molasses in the produc- tion of Iactic acid". Egyptian Journ. of Food SC.vol 14, No 1 ( 1986), pp 91- 100, também mostra que na fermentação nem todo o açúcar é utilizado e que vários outros ácidos orgânicos são formados além do ácido láctico.

A fermentação industrial para dar ácido láctico exige controle ri- goroso da temperatura e pH. Por causa da formação de ácido láctico o pH cai durante a fermentação. Uma queda no pH abaixo de um valor crítico, dependendo do microorganismo usado no processo, poderia danificar o pro- cesso metabólico do microorganismo e levar o processo de fermentação até uma parada. Portanto, é prática comum adicionar um agente de neutraliza- ção, isto é, uma base tal como Ca(OH)2, Mg(OH)2, NaOH KOH ou amônia à reação de fermentação e assim produzir um sal de Iactato tais como Iactato de cálcio, Iactato de sódio etcetera. Normalmente tanto ácido láctico quanto sal de Iactato estão presentes no produto de fermentação, dependendo do pH do produto de fermentação. A fermentação pode ser feita com microor- ganismos produtores de ácido láctico convencionais tais como bactérias le- veduras e fungos, tais como lactobacilos, bacilos moderadamente termofíli- cos, Rhizopus e Aspergillus. Preferidos são os bacilos moderadamente ter- mofílicos tais como Bacillus coagulans, Bacillus thermoamylovorans, Geoba- cilius stearothermophylus e Bacillus smithii, uma vez que esses tipos de mi- croorganismos podem fermentar a temperatura relativamente alta.

Depois da fermentação, o produto de fermentação contendo á- cido láctico e Iactato deve ser separado da biomassa. O dito produto de fer- mentação contendo ácido láctico está na forma líquida (isto é, líquido ou em solução). Usualmente essa biomassa é separada por meio de filtração, cen- trifugação, floculação, coagulação, flotação ou suas combinações. Depois da separação de biomassa, o pH do produto de fermentação é diminuído por meio de adição de ácido tal como ácido sulfúrico de modo que ácido láctico e um sal da base de neutralização e o ácido adicionado é formado. Por e- xemplo, se hidróxido de cálcio for usado como agente de neutralização, o produto de fermentação compreenderá tanto ácido láctico quanto Iactato de cálcio. Na adição de ácido sulfúrico, ácido láctico e sulfato de cálcio (gesso) será formado. O gesso, ou qualquer outro sal, é removido e o ácido láctico é isolado. O ácido láctico resultante pode ser submetido a outras etapas de purificação.

Etapas de purificação subseqüente convencionais são destila- ção, incluindo destilação de caminho curto e destilação a vácuo, cristaliza- ção, sal de SWAP, eletrodialise, extração (tanto extração para frente quanto retro-extração), tratamento com carbono, troca de íons e suas combinações. Essas etapas de purificação podem ser combinadas com etapas de concen- tração intermediárias.

A invenção é ulteriormente ilustrada por meio de exemplos que não devem ser interpretados como limitativos. Exemplo 1

Fermentação para dar ácido láctico usando-se vários substratos

A fermentabilidade de melaços, substratos de suco bruto con- centrados e suco espesso que se origina de uma fábrica de açúcar (5 amos- tras com valores de Brix que variam de 59,6 a 73,2, concentrada a tempera- turas de 55, 60, 75, e 85°C), foi testada em fermentações separadas. Para todos os substratos, o seguinte procedimento foi aplicado: o substrato foi diluído com água para uma concentração de sacarose de cerca de 300 g/l. Para essa solução, 6,0 g/l de nutrientes foram adicionados e o pH foi ajusta- do para 6,4 usando-se cal. Subseqüentemente, o meio foi aquecido até 54°C e a fermentação foi iniciada com 10% (v/v) de um inóculo de desenvolvimen- to de sacarose de um microorganismo produtor de ácido láctico. Durante a fermentação cal diluído foi adicionado para manter pH a 6,4 e a temperatura foi controlada a 54°C.

Uma fermentação em que açúcar branco (sacarose) foi usado como substrato, e por outro lado aplicação das mesmas condições, foi reali- zada para comparação.

Tabela 1 sumariza os resultados dessas fermentações. Fermen- tações à base de melaços dificilmente mostraram qualquer atividade; apenas uma pequena fração do açúcar foi consumida depois de 45 h e a produtivi- dade entrou em colapso até virtualmente zero. A fermentabilidade de suco espesso era mais ativa, mas ainda apenas uma parte do açúcar foi consu- mida. Suco bruto concentrado poderia ser fermentado totalmente. Em com- paração com a fermentação de sacarose de referência, o rendimento de áci- do láctico e perfil de subproduto (ácidos orgânicos) é similar; a pureza quiral é mais baixa mas ainda aceitável. O teor de açúcar residual é mais alto, uma vez que suco bruto concentrado contém um pouco de açúcares que não são/lentamente fermentados.

Tabela 1. Resultados de fermentação sumários para sacarose (referência),

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* Soma de ácido succínico, pirúvico, fórmico, 2-hidroxibutírico e acético ** Média de 11 fermentações *** Média de 13 fermentações n.d. = não-determinado Exemplo 2

Suco de beterraba acucareira bruto concentrado na fermentação em escala industrial

Duas fermentações semi-industrial (escala 5000 litros) no suco de beterraba bruta concentrado foram realizadas. Do caldo de fermentação final dessas duas fermentações biomassa foi removida e o produto contendo Iactato foi acidulado. A. Materiais e Métodos Substrato

Beterrabas açucareiras foram cortadas, foram lavadas e foram extraídas em água a 70°C. A polpa foi eliminada e o suco de beterraba bruto foi submetido a tratamento térmico a 60°C, separação de sólido/líquido e evaporação a 65°C para produzir suco de beterraba bruta concentrado de um Brix entre 65-70.

A densidade das cargas de suco de beterraba bruta concentrado era de 1,334 kg/l e de 1,335 kg/l a 66 Brix, respectivamente. Fermentação

Fermentação de suco de beterraba bruta concentrado foi reali- zada no fermentador de 5000 I usando-se um microorganismo produtor de ácido láctico. A composição de meio da fermentação é mostrada na tabela 2.

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A temperatura durante a fermentação foi mantida a 54°C. O pH foi controlado por adição de uma pasta fluida de cal.

Ambas as fermentações iniciadas com 275 g/l de sacarose (e uma quantidade total de cerca de 3 g/l glicose e frutose). Remoção de Biomassa

Floculação, para remover células bacterianas, metais, proteínas etc., foi realizada com caldo de fermentação final livre de açúcar por alcalini- zação do caldo a uma temperatura de 75°C com cal e adição de floculante.

A camada de topo clara foi sugada assim que a deposição da biomassa estava completa. A camada de topo alcalina clara foi subseqüen- temente transferida para um segundo reator de 5 m3 para acidulação. A ca- mada de fundo contendo biomassa foi descartada. Acidulação

A camada de topo alcalina clara foi continuamente agitada e á- cido sulfúrico (96%) foi adicionado lentamente usando-se uma bomba. Isso foi continuado até um pH de 2,2 e uma condutividade de cerca de 5 mS foi alcançada. Precipitação de cálcio foi checada usando-se uma solução de oxalato de amônio (35,5 g/l). O caldo acidulado foi removido a partir do rea- tor e foi isolado do gesso formado. A solução de ácido láctico bruto clara foi submetida a etapas de purificação convencionais para produzir ácido S-láctico final (90%). Resultados

Ambas as fermentações realizadas como esperadas. A cultura seguia a fase de crescimento e fase estacionária ou de produção até livre de açúcar. A primeira fermentação ocorreu em 24 horas. A segunda fermenta- ção acabou depois de 21 horas.

Caldo de fermentação final da primeira fermentação tinha uma quantidade mais alta substancial de polissacarídeos do que o caldo de fer- mentação final da segunda fermentação. A diferença na quantidade de nitro- gênio total no caldo de fermentação final dessas duas cargas é desprezível. Pureza ótica de caldo de fermentação final foi de 99,3% para a primeira fer- mentação e 99,4% para a segunda fermentação.

Os resultados das análises de amostras de caldo de fermenta- ção finais são listados na tabela 3. Os resultados mostram que suco de be- terraba açucareira bruta concentrado pode ser fermentado para dar ácido láctico em escala industrial.

Tabela 3. Lactato, açúcares residuais totais, polissacarídeos e pureza ótica de caldo de fermentação final_

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Depois da purificação, o ácido láctico resulante pareceu preen- cher as especificações estabelecidas para ácido láctico comercial para as aplicações alimentícias com relação a cor.

Claims

1. Processo para a preparação de ácido láctico e/ou Iactato em que um suco de beterraba bruta concentrado, isto é, suco de beterraba que não tinha sido submetido à adição de cal a um pH de cerca de 11,2 e adição de cal excedente seguido por adição de dióxido de carbono em dois estágios com remoção de lama de carbonação/cal, tendo uma concentração de pelo menos 60 g de sacarose por 100 grama de líquido (pelo menos um Brix de .60) é usado como um substrato para a fermentação para dar ácido láctico e/ou Iactato por meio de um microorganismo produtor de ácido láctico.

2. Processo de acordo com a reivindicação 2, em que o suco de beterraba bruta concentrado tem um Brix de pelo menos 70.

3. Processo de acordo com as reivindicações de 1 ou 2, em que o suco de beterraba bruta concentrado é diluído a um Brix entre 16 e 30 an- tes da adição à fermentação.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o microorganismo é um bacilo moderadamente termo- fílico.

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o suco de beterraba concentrado é preparado por um procedimento compreendendo as seguintes etapas: a. Lavagem e corte de beterraba açucareira e extração dos "cossettes" resultantes com água, b. remoção da polpa de beterraba a partir do suco de beterraba bruto resultante, e c. tratamento térmico do suco de beterraba bruto a uma tempe- ratura entre 50 e 90 graus Celcius, e d. concentração do suco de beterraba bruto para dar pelo me- nos 60 Brix.

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, em que a etapa c e a etapa d são combinadas.

7. Processo de acordo com as reivindicações de 5 ou 6, em que antes da e/ou entre, e/ou depois das etapas c e d uma etapa de separação de líquido/sólido é conduzido.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o ácido láctico e/ou Iactato que resultam da fermenta- ção é submetido a uma ou mais outras etapas de purificação.

9. Processo de acordo com a reivindicação 8, em que as etapas de purificação compreendem separação de biomassa, extração, sal de SWAP, destilação, troca de íons, tratamento com carbono, extração, e/ou concentração e suas combinações.