CH647549A5

CH647549A5 - Process for the production of alcohol from starch or starch-containing raw materials

Info

Publication number: CH647549A5
Application number: CH8160/80A
Authority: CH
Inventors: Friedrich Josef Zucker; Heinz Prof Dr Houben; Georg Osthaus
Original assignee: Supraton Zucker
Priority date: 1979-11-03
Filing date: 1980-11-03
Publication date: 1985-01-31
Also published as: FR2468645B1; DE2944483C2; AT386224B; JPS638751B2; ATA537080A; DE2944483A1; JPS5672693A; FR2468645A1

Description

Die Erfindung betrifft ein vorzugsweise kontinuierlich durchführbares Verfahren zur Herstellung von Alkohol aus Stärke oder stärkehaltigen Rohstoffen, wie beispielsweise Kartoffeln, Getreide, insbesondere Roggen, Weizen, Mais, Reis oder Hirse, sowie Maniok-, Tapioka- und Cassavamehl. The invention relates to a process which can preferably be carried out continuously for the production of alcohol from starch or starch-containing raw materials, such as, for example, potatoes, cereals, in particular rye, wheat, maize, rice or millet, and also manioc, tapioca and cassava flour.

Bekanntlich muss Stärke als nicht direkt vergärbares Kohlenhydrat mit Hilfe von Enzymen zunächst zu den vergärbaren Zuckern abgebaut werden, bevor die alkoholische Gärung möglich ist. Dazu ist es zunächst erforderlich, die stärkehaltigen Rohstoffe aufzuschliessen, wobei die Stärkezellen aus ihren Zellverbänden gelöst und geöffnet werden und die Stärke freigelegt wird, die dann leichter verzuckert werden kann. Dieser Aufschluss erfolgt beim sogenannten Dämpfverfahren meist im «HENZE»-Dämpfer bei höheren Temperaturen unter Druck, worauf dann entspannt und gekühlt und anschliessend Enzym zugegeben wird, um die aufgeschlossene und verkleisterte Stärke zu verzuckern. Hierbei handelt es sich somit um ein nicht-kontinuierliches, chargenweise durchzuführendes Verfahren, bei dem der Rohstoff bei 150 °C bis zu seiner Verkleisterung 1 Vi bis 2 Stunden benötigt. Es ist offensichtlich, dass dieses bekannte Verfahren ausserordentlich energieaufwendig ist. As is known, starch, as a carbohydrate that cannot be fermented directly, must first be broken down into fermentable sugars with the help of enzymes before alcoholic fermentation is possible. To do this, it is first necessary to digest the starchy raw materials, whereby the starch cells are released from their cell assemblies and opened and the starch is exposed, which can then be easily saccharified. This so-called steaming process usually takes place in the “HENZE” steamer at higher temperatures under pressure, after which the pressure is relaxed and cooled and then enzyme is added to saccharify the digested and gelatinized starch. This is therefore a non-continuous, batch-wise process in which the raw material needs 1 Vi to 2 hours at 150 ° C to gelatinize. It is obvious that this known method is extremely energy-intensive.

Es ist auch schon bekannt, eine Teilmenge des Enzyms der Stärke vor dem Verkleistern im «HENZE»-Dämpfer zuzusetzen, so dass dieses schon beim Aufheizen im gewissen Umfange eine Verzuckerung auslösen kann, doch werden die Enzyme bei der für die Verkleisterung erforderlichen hohen Temperaturen von weit mehr als 100 °C inaktiviert und müssen dann nach völliger Verkleisterung der Stärke ergänzt werden, damit die völlige Verzuckerung stattfindet. It is also known to add a portion of the enzyme to the starch in the «HENZE» steamer before pasting, so that this can trigger saccharification to a certain extent when it is heated up, but the enzymes become at the high temperatures required for pasting inactivated far more than 100 ° C and must then be added after the starch has completely gelatinized so that the complete saccharification takes place.

Ein Verfahren zum Verkleistern von Stärke bzw. stärkehaltigen Produkten unter erheblicher Energieeinsparung ist bereits aus der DE-PS 19 22 932 bekannt, und dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man Dampf und A method for gelatinizing starch or starchy products with considerable energy savings is already known from DE-PS 19 22 932, and this method is characterized in that steam and

Stärkesuspension koaxial in das Zentrum einer Homogenisiermaschine einleitet. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis ausserordentlich bewährt, da das Verkleistern der Stärke in einer Zone hoher Dichte von Scher- und Kavitationskräften stattfindet und ein gleichmässiges intensives Verteilen des Dampfes einerseits und auch eine ständige Abnahme der an sich kontinuierlich steigenden Viskosität im Zeitpunkt ihrer Entstehung erfolgt. Als Homogenisiermaschine kann bei diesem bekannten Verfahren mit Erfolg vor allem eine Vorrichtung benutzt werden, die aus einem Gehäuse mit darin umlaufendem kegelstumpfförmigem Rotor besteht, dessen Mantelfläche mit koaxialen Ringen gestaffelten Durchmessers ausgestattet ist, die jeweils auf Lücke stehen mit gleichartigen Ringen an der dem Rotor gegenüberliegenden Gehäuseinnenwand. Mit diesem bekannten Verfahren ist es beispielsweise möglich, 180 kg/Stunde native Kartoffelstärke bei einem Dampfdruck von nur 1,4 bar über Atmosphärendruck und einem Kraftbedarf von 8 kWh voll zu verkleistern. Starch suspension coaxially introduces into the center of a homogenizing machine. This method has proven itself extremely well in practice, since the starch is gelatinized in a high-density zone of shear and cavitation forces, and there is a uniform, intensive distribution of the steam on the one hand and a constant decrease in the viscosity, which is continuously increasing at the time of its formation . In this known method, a device that consists of a housing with a frusto-conical rotor running around it, the outer surface of which is equipped with coaxial rings of staggered diameter, which are each in a gap with rings of the same type on the opposite side of the rotor, can be used successfully as a homogenizer in this known method Housing inner wall. With this known method it is possible, for example, to fully gelatinize 180 kg / hour of native potato starch at a steam pressure of only 1.4 bar above atmospheric pressure and a power requirement of 8 kWh.

Überraschenderweise wurde nunmehr gefunden, dass es unter Anwendung dieses Verfahrens möglich ist, die bisher umständliche Vorverzuckerung der Stärke kontinuierlich bei hohen Konzentrationen unter gleichzeitiger Senkung der Energiekosten durchzuführen und damit auch die Gewinnung von Alkohol aus Stärke bzw. stärkehaltigen Rohstoffen fortschrittlicher als bisher möglich zu gestalten. Surprisingly, it has now been found that using this method it is possible to carry out the previously cumbersome pre-saccharification of the starch continuously at high concentrations while at the same time reducing the energy costs and thus also to make the extraction of alcohol from starch or starch-containing raw materials more progressive than previously possible.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist im Patentanspruch 1 definiert. Als Homogenisiermaschine kann bei diesem Verfahren vorzugsweise eine Vorrichtung der oben geschilderten Art eingesetzt werden, die aus einem Gehäuse mit darin umlaufendem kegelstumpfförmigem Rotor besteht, dessen Mantelfläche mit koaxialen Ringen gestaffelten Durchmessers ausgestattet ist, die jeweils auf Lücke stehen mit gleichartigen Ringen an der dem Rotor gegenüberliegenden Gehäuseinnenwand. The method according to the invention is defined in claim 1. In this method, a device of the type described above can preferably be used as the homogenizing machine, which consists of a housing with a frusto-conical rotor running around it, the outer surface of which is equipped with coaxial rings of staggered diameter, each of which has a gap with rings of the same type on the opposite side of the rotor Housing inner wall.

Bei der Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung hat es sich als zweckmässig erwiesen, die a-Amylase unmittelbar der Stärkesuspension zuzugeben, bevor diese in die Homogenisiermaschine eingeführt wird. Es ist jedoch auch möglich, Stärkesuspension und Dampf koaxial in das Zentrum der Homogenisiermaschine einzuführen und gleichzeitig in die Maschine a-Amylase einzudüsen. In beiden Fällen wird bei der sich in der Homogenisiermaschine einstellenden Temperatur von beispielsweise 95 °C das in der Suspension enthaltene oder aber eingedüste Enzym in der Stärkesuspension extrem fein verteilt, während die Stärke selbst schlagartig unter der Einwirkung der Scher- und Kavitationskräfte mechanisch und thermisch verkleistert wird. When carrying out the process according to the invention, it has proven expedient to add the α-amylase directly to the starch suspension before it is introduced into the homogenizing machine. However, it is also possible to introduce starch suspension and steam coaxially into the center of the homogenizing machine and at the same time to spray a-amylase into the machine. In both cases, at the temperature in the homogenizing machine of, for example, 95 ° C., the enzyme contained or injected in the suspension is extremely finely distributed in the starch suspension, while the starch itself suddenly undergoes mechanical and thermal gelatinization under the action of the shear and cavitation forces becomes.

Dieser gebildete Stärkekleister wird dann eine gewisse Zeit bei einer Temperatur von 70-80°C sich selbst überlassen, wobei er sich verflüssigt und vorverzuckert wird. In diesem Stadium kann dem Stärkekleister kaltes Wasser zugegeben werden, das mit zur Kühlung beiträgt, den Stärkekleister aber gleichzeitig noch verdünnt. Es hat sich als zweckmässig erwiesen, den Stärkekleister etwa 15 Minuten lang sich selbst zu überlassen, bevor er gekühlt und gegebenenfalls gleichzeitig verdünnt wird. Nachdem der verflüssigte und vor verzuckerte Stärkekleister auf eine Temperatur von 50-65 °C abgekühlt ist, erfolgt die Zugabe von ß-Amylase und gegebenenfalls auch von a-Glucosidase, die die Stärke dann bis zur Glukose abbauen und die sogenannte süsse Maische liefern, die schliesslich in an sich bekannter Weise zu Alkohol vergärt wird. This formed starch paste is then left to stand for a certain time at a temperature of 70-80 ° C, where it liquefies and is pre-saccharified. At this stage, cold water can be added to the starch paste, which contributes to cooling, but at the same time still dilutes the starch paste. It has proven expedient to leave the starch paste to itself for about 15 minutes before it is cooled and optionally diluted at the same time. After the liquefied and pre-saccharified starch paste has cooled to a temperature of 50-65 ° C, ß-amylase and possibly also a-glucosidase are added, which then break down the starch to glucose and provide the so-called sweet mash, which finally fermented to alcohol in a manner known per se.

Das Verfahren gemäss der Erfindung hat gegenüber den bisher üblichen Verfahren der Alkoholgewinnung aus Stärke bzw. stärkehaltigen Rohstoffen in erster Linie den grossen Vorteil, dass eine kontinuierliche Arbeitsweise bei der Stärke-verkleisterung und Vorverzuckerung ermöglicht wird, daneben aber insbesondere den der ganz erheblichen Ener2 The method according to the invention has the major advantage over the conventional methods of obtaining alcohol from starch or starch-containing raw materials in the first place that it enables continuous operation in the gelatinization and pre-saccharification, but also in particular that of the very substantial Ener2

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gieersparnis und vor allem die Möglichkeit, mit wesentlich höheren Konzentrationen arbeiten zu können, da bis zu 40 Gew. % Trockensubstanz (TS) bei der Verkleisterung möglich ist gegenüber nur 20 Gew. % TS bei den bisher üblichen Verfahren. Die Erfindung wird durch das nachstehende Beispiel weiter erläutert. Energy saving and, above all, the possibility of being able to work with significantly higher concentrations, since up to 40% by weight of dry substance (TS) is possible when gelatinizing, compared to only 20% by weight of TS in the previously customary processes. The invention is further illustrated by the example below.

Beispiel example

Ein stärkehaltiger Rohstoff, beispielsweise Mais oder Tapiokamehl, wird unter gleichzeitiger Zufuhr von warmem Wasser aus Wärmeaustauschern kontinuierlich einer Schnek-kenmonopumpe zudosiert, und zwar in Mengen bis zu 44 kg Feststoff pro 100 kg Wasser, so dass ca. 40 Gew. % Trockenstoffkonzentration vorliegt. Gleichzeitig wird in die Schnecke eine 1 bis 2 Gew. %ige Lösung von a-Amylase, bezogen auf Feststoff, zudosiert. Dieser Ansatz wird unter gleichzeitiger Dampfzufuhr koaxial in das Zentrum einer Homogenisiermaschine, beispielsweise einer «SUPRATON»-Maschine, eingeführt, und dort bei ca. 95 °C schlagartig mechanisch und thermisch verkleistert. A starchy raw material, such as corn or tapioca flour, is continuously metered into a screw monopump with the simultaneous supply of warm water from heat exchangers, in quantities of up to 44 kg solids per 100 kg water, so that approx. 40% by weight dry substance concentration is present. At the same time, a 1 to 2% by weight solution of a-amylase, based on solids, is metered into the screw. This approach is coaxially introduced into the center of a homogenizing machine, for example a "SUPRATON" machine, with simultaneous steam supply, and is then gelatinized mechanically and thermally at about 95 ° C.

Es ist jedoch auch möglich, die Enzymlösung nicht der s Schneckenpumpe zudosieren, sondern unmittelbar in die Homogenisiermaschine einzudüsen. However, it is also possible not to meter the enzyme solution into the screw pump, but rather to spray it directly into the homogenizing machine.

Der Stärkekleister einschliesslich des darin feinverteilten Enzyms wird dann aus der Homogenisiermaschine abgezogen und ca. 15 Minuten lang sich selbst überlassen, wobei io die Stärke unter Reduktion ihrer Kettenlänge verflüssigt und in gewissem Umfange vorverzuckert wird. Anschliessend wird unter gleichzeitigem Zugeben von kaltem Wasser auf etwa 55 °C gekühlt und verdünnt, worauf die ß-Amylase und a-Glucosidase zugegeben werden, die die Stärke in etwa ls 1 Stunde bis zur Glukose abbauen. Die hierbei erhaltene süsse Maische wird gekühlt und kann anschliessend in an sich bekannter Weise vergoren werden. The starch paste, including the enzyme which is finely divided therein, is then removed from the homogenizing machine and left for about 15 minutes, the starch being liquefied while reducing its chain length and to some extent pre-saccharified. The mixture is then cooled and diluted to about 55 ° C. with the simultaneous addition of cold water, whereupon the β-amylase and a-glucosidase are added, which break down the starch to glucose in about 1 hour. The sweet mash obtained is cooled and can then be fermented in a manner known per se.

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Claims

647549 PATENT CLAIMS

1. A process for the production of alcohol from starch or starch-containing raw materials, characterized in that an aqueous suspension of starch or comminuted starch-containing raw materials is introduced coaxially into the center of a homogenizing machine together with α-amylase and with simultaneous steam supply, there with the finest distribution of the enzyme at a temperature of 80-120 ° C suddenly mechanically and thermally gelatinized, then the starch paste for liquefaction and pre-saccharification is left to itself at a temperature of 70-80 ° C, the liquefied and pre-saccharified starch paste then continuously at a temperature of 50-65 ° C cools and with the addition of ß-amylase or a mixture thereof with a-glucosidase degrades to glucose and the sweet mash obtained in the process is finally fermented.

2. The method according to claim 1, characterized in that one introduces an a-amylase-containing starch suspension into the homogenizing machine.

3. The method according to claim 1, characterized in that the a-amylase is injected into the homogenizing machine, while starch suspension and steam are introduced coaxially into the center thereof.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the starch paste is simultaneously diluted with cold water during cooling.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the starch paste about 15 min. for a long time before you cool it and, if necessary, dilute it at the same time.