BRPI0712977B1

BRPI0712977B1 - Produção de ácido láctico a partir do suco de beterraba açucareira bruta

Info

Publication number: BRPI0712977B1
Application number: BRPI0712977-7A
Authority: BR
Inventors: Diana Visser; Jan Van Breugel; Johannes Martinus De Bruijn; Paul A'Campo
Original assignee: Purac Biochem B.V.
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2019-04-16
Also published as: WO2008000699A1; ES2530508T3; BRPI0712977A2; EP1870474A1; US8211675B2; EP2038422B1; US20100062503A1; EP2038422A1; PL2038422T3

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

A presente invenção refere-se ao campo da preparação de áci5 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 biodegradáveis 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 fermentação por meio de um microorganismo tais como bactérias, leveduras e fungos. O meio de fermentação consiste em um substrato de carboidrato junta15 mente com nutrientes proteináceos e minerais adequados. Um substrato de fermentação comumente usado é o açúcar branco. Açúcar é o mais importante contribuidor para a fabricação do preço de custo de ácido láctico. Principais 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 tentaram 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 - estabilidade, sensibilidade a infecções, a purificação do produto de fermentação (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: fabricação, armazenagem e utilização como material de alimentação na indústria biotecnológica. G. Marke, P. 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. Austmeyer, H Roever, H. Zuckerindustrie ( 1988) 113 (9), 765-72.

A literatura na fermentação de suco de beterraba açucareira para 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, Ind. Chim. Met. (1918), 5 121-4, a fermentação de suco 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 outros: 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 ativas 3-4 meses ao ano, está claro que isso provê problemas de armazenagem. 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 escala 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 aquecimento ou esterilização do suco de beterraba açucareira tem um efeito prejudicial na fermentação. O xarope de beterraba, preparado por evaporação 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 inade3 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 purificação (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 10 Brix de pelo menos 60 (isto é, quantidade de açúcar em peso por 100 gramas de líquido) é um substrato adequado para a fermentação em escala industrial para dar ácido láctico e ou lactato. Além disso, ele parece ser estável a armazenagem e não é muito sensível a infecções. Além do mais, fermentação para dar ácido láctico é alcançável com o mesmo rendimento, pu15 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 purificação 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 excedente na calcificação principal (a alcalinização), adição de dióxido de carbono nos dois estágios subsequentes (a carbonação), em que depois da pri25 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 combina10 das, a separação de líquido/sólido opcional é conduzida ou antes do aquecimento/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 processamento 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 fermentação 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 in25 troduzidas 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 dados experimentais. Algumas vezes as impurezas podem ser removidas por vários pré-tratamentos, mas isso exige etapas de purificação adicionais, trabalhosas e onerosas.

Goeksungur y e outros: Batch and continuous production of lac5 tic acid from beet molasses lactobacillus delbrueckii IFO 3202 Journ. Chem. Techn. and Biotechn., vol 69, No.4, (1997) pp. 399-404, and Goeksungur y e outros:Production of lactic acid from beet molasses by calcium alginate immobilized lactobacillus delbrueckii IFO 3202 Journ. Chem. Techn. and Bio5 techn., 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 lactic acid fermentation by lactobacillus delbruekii grown on beet molasses. Journ. Chem. Techn.

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 laboratório (frascos de 5 litros). Aqui também o açúcar não foi totalmente utilizado.

El Sherbiny e outros: Utilisation of beet molasses in the production of lactic acid. Egyptian Journ. of Food SC.vol 14, No 1 ( 1986), pp 9120 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 rigoroso 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 processo metabólico do microorganismo e levar o processo de fermentação até uma parada. Portanto, é prática comum adicionar um agente de neutralização, 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 lactato tais como lactato de cálcio, lactato de sódio etcetera. Normalmente tanto ácido láctico quanto sal de lactato estão presentes no produto de fermentação, dependendo do pH do produto de fermentação. A fermentação pode ser feita com microor6 ganismos produtores de ácido láctico convencionais tais como bactérias leveduras e fungos, tais como lactobacilos, bacilos moderadamente termofílicos, Rhizopus e Aspergillus. Preferidos são os bacilos moderadamente termofílicos tais como Bacillus coagulans, Bacillus thermoamylovorans, Geoba5 cillus stearothermophylus e Bacillus smithii, uma vez que esses tipos de microorganismos podem fermentar a temperatura relativamente alta.

Depois da fermentação, o produto de fermentação contendo ácido láctico e lactato deve ser separado da biomassa. O dito produto de fermentação contendo ácido láctico está na forma líquida (isto é, líquido ou em solução). Usualmente essa biomassa é separada por meio de filtração, centrifugação, 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 e15 xemplo, se hidróxido de cálcio for usado como agente de neutralização, o produto de fermentação compreenderá tanto ácido láctico quanto lactato 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 destilação, incluindo destilação de caminho curto e destilação a vácuo, cristalização, 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 concentração 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 concentrados e suco espesso que se origina de uma fábrica de açúcar (5 amostras com valores de Brix que variam de 59,6 a 73,2, concentrada a temperaturas 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 ajustado 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 desenvolvimento 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 realizada para comparação.

Tabela 1 sumariza os resultados dessas fermentações. Fermen15 tações à base de melaços dificilmente mostraram qualquer atividade; apenas uma pequena fração do açúcar foi consumida depois de 45 h e a produtividade entrou em colapso até virtualmente zero. A fermentabilidade de suco espesso era mais ativa, mas ainda apenas uma parte do açúcar foi consumida. Suco bruto concentrado poderia ser fermentado totalmente. Em com20 paração com a fermentação de sacarose de referência, o rendimento de ácido 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), melaços, suco espesso e suco bruto concentrado.

Substrato	Ca	do Final da Composição
	Lactato (% de p/p de máx. obtení- vel)	Lactato de pureza quiral (% de S)	Açúcares residuais (% de p/p de entrada de açúcar)	Polissacarídeos (% de p/p de lactato formado)	Ácidos orgânicos totais* (% de p/p)

Substrato	Ca	do Final da Composição
	Lactato (% de p/p de máx. obtení- vel)	Lactato de pureza quiral (% de S)	Açúcares residuais (% de p/p de entrada de açúcar)	Polissacarídeos (% de p/p de lactato formado)	Ácidos orgânicos totais* (% de p/p)
Sacarose***	95%	99.7%	1%	0.9%	n.d
Melaços	n.d	n.d	100%	n.d	n.d
Suco espesso	n.d	n.d	>50%	n.d	n.d
Suco Bruto Concentrado	95%	99.2%	3.5%	2.3%	<0.2%

* 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 açucareira 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 lactato 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 realizada no fermentador de 5000 I usando-se um microorganismo produtor de ácido láctico. A composição de meio da fermentação é mostrada na tabela 2. Tabela 2. O reator de 5 m³ recebeu um meio da seguinte composição:

Composição de Meio	Quantidade Adicionada
Água	2000 I
Suco de beterraba bruta concentrada (cerca de 70° Bx)	1000 I
Nutriente	18.16Kg
Volume inicial	3000 I
Inóculo	500 I

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 alcalinização 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 subseqüentemente transferida para um segundo reator de 5 m³ para acidulação. A camada de fundo contendo biomassa foi descartada.

Acidulação

A camada de topo alcalina clara foi continuamente agitada e ácido 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 reator 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 fermentação 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 fermentação final da segunda fermentação. A diferença na quantidade de nitro10 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 fermentação e 99,4% para a segunda fermentação.

Os resultados das análises de amostras de caldo de fermentação finais são listados na tabela 3. Os resultados mostram que suco de be15 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

5m³ Caldo	Lactato (%p/p	Açúcares	Polissacarí-	Pureza
de Fermen-	do máximo ob-	Residual	deos (% p/p	Quiral (%
tação Final	tenível)	Total	de lactato)	S-lactato)
1^st	95%	4.2%	4.0%	99.3%
2nd	95%	6.5%	2.6%	99.4%

Depois da purificação, o ácido láctico resulante pareceu preen20 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 lactato em que um suco de beterraba bruto concentrado, caracterizado pelo fato de que o suco de beterraba que não tenha sido submetido à adição de cal a um pH 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 gramas de sacarose por 100 gramas de líquido (pelo menos um Brix de 60) é usado como um substrato para a fermentação por meio de um microrganismo produtor de ácido láctico para se obter ácido láctico e/ou lactato, em que no referido processo o suco de beterraba bruto concentrado é preparado através das etapas de:

tratamento térmico do suco de beterraba a uma temperatura ente 50 e 90° C; e concentrar o suco de beterraba bruto a pelo menos 60 Brix.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o suco de beterraba bruto concentrado tem um Brix de pelo menos 70.

3. Processo de acordo com as reivindicações de 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o suco de beterraba bruto concentrado é diluído a um Brix entre 16 e 30 antes da adição à fermentação.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o microrganismo é um bacilo moderadamente termofílico.

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o suco de beterraba bruto concentrado é preparado por um procedimento compreendendo as etapas de:

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;

c. tratamento térmico do suco de beterraba bruto a uma temperatura entre 50 e 90 graus Celcius; e

d. concentração do suco de beterraba bruto para dar pelo menos 60

Petição 870190001573, de 07/01/2019, pág. 9/14

Brix.

6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de separação líquido-sólido é realizada entre a dita etapa de tratamento a quente e a dita etapa de concentração e/ou após a dita etapa de concentração.

7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que dita etapa c de tratamento térmico e a etapa d de concentração são combinadas.

8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que antes ou depois da dita etapa combinada de tratamento térmico e concentração, uma etapa de separação de líquido/sólido é conduzida.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o ácido láctico e/ou lactato que resultam da fermentação é submetido a uma ou mais outras etapas de purificação.

10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de 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.