DD216480A1 - Verfahren zur ethanolproduktion - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ethanolproduktion auf der Basis kohlehydrathaltiger Rohstoffe bei hoeheren Temperaturen, vorzugsweise >= 39 Grad C, unter Verwendung von Hefestaemmen der Arten Saccharomyces cerevisiae und/oder Sacccharomyces uvarum. Das Ziel der Erfindung ist die Erhoehung der Ethanolproduktion bei gleichzeitiger Verkuerzung der Gaerzeit und mit geringerem Geraeteaufwand. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, durch den Einsatz von Hefestaemmen mit geringer Temperaturempfindlichkeit bei hoeheren Gaertemperaturen Ethanol zu produzieren. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind hoehere Gaergeschwindigkeiten, eine bessere Raum-Zeit-Ausbeute. Das Wesen der Erfindung liegt in der Beruecksichtigung biologischer Gesetzmaessigkeiten bei der Selektierung von Hefen mit neuen Eigenschaften und der Entwicklung von Prozessablaeufen, die den spezifischen Eigenschaften dieser Hefestaemme angepasst sind. Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf das gesamte Gebiet der Erzeugung von Gaerungsalkohol auf der Grundlage pflanzlicher Rohstoffe.

Description

Verfahren zur Ethanolproduktion

Anwendungsgebiet der Erfindung .

Die Erfindung; betrifft Verfahren zur diskontinuierlichen und kontinuierlichen Ethanolproduktion auf der Basis zuckerhaltiger und anderer kohlehydrathaltiger Rohstoffe bei höheren Temperaturen ι vorzugsweise > 39°C, unter Vervrendung von Hefestämmen der Art Saocharomyces cerevisiae und/oder Saooharomyoes uvarutn mit definierten physiologischen Leistungen»

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei den UbHohen Verfahren der mikrobiellen Ethanolproduktion werden kohlehydrathaltige Medien bei Temperaturen vergoren, die bei 30°C oder nur unwesentlich darüber liegen. Während sich die Gärdauer bei Medien, die aus zuckerhaltigen Rohstoffen hergestellt werden, wie z. B. Melassewürzen, auf 36 Stunden (im Minimalfall Zh Stunden) beschränkt, beanspruchen Maischen aus stärkehaltigen Rohstoffen eine Gärdauer von etwa drei Tagen. Als Gärorganismen dienen den Betriebsbedingungen angepaßte Stämme von Saccharomyces oerevisiae«

Die Gärung wird überwiegend diskontinuierlich durchgeführt und verläuft in drei Phasen· Die Angärphase erstreckt sioh etwa über die ersten Stunden, die Temperatur liegt bei 25 C. Nachdem die Hälfte der vergärbaren Kohlehydrate verwertet ist, beginnt die Hauptgärung·

Die Temperatur wird auf etwa 30° C angehoben, um die Gärung zu beschleunigen. Nachdem die Hauptgärung beendet ist, schließt sich die Naohgärphase an, die sich durch geringe Gärintensitäten auszeichnet. In dieser Phase werden die schwer verwertbaren bzw« die durch Naohverzuckerung aus Grenzdextrinen gebildeten Zucker vergoren.

Für eine Maische aus stärkehaltigen Rohstoffen umfassen die Gärzeiten der einzelnen Phasen 20 Stunden (Angärphase), 18 Stunden (Hauptgärphase), 30 Stunden (Nachgärphase), Eine Verkürzung der Gärdauer kann erreicht werden, indem die Temperatur bei der Hau pt gärung auf 32°C bis 3**°C gehoben wird, die Hefegabe erhöht und durch geeignete Maßnahmen (Enzymgabe) die Verzuckerung optimiert wird« Aus verschiedenen Gründen ist man interessiert» die Vergärung kontinuierlich durchzuführen, was bei Maischen aus stärkehaltigen Rohstoffen komplizierter ist· Bs existieren zwei Verfahrenstypen % Bas Durchlaufverfahren und das halbkontinuierliche Zulaufverfahren·

Bei dem Durohlaufverfahren werden die in üblioher Weise aufgeschlossenen, verzuckerten und mit Hefe versetzten Maischen in einer Gärbehälterkaskade vergoren. Die Vergärung vollzieht sioh während des Durchflusses durch die Gärgefäße, so daß die aus dem letzten Gefäß austretende Maische endvergoren ist· Der Vorteil des Systems liegt in der Verkürzung der Gärdauer auf etwa 60 Stunden, Nachteilig ist der erhöhte Aufwand bei der Gärführung und die große Infektionsanfälligkeit der Maische in den alkoholärmeren Stufen.

Das Zulaufverfahren ermöglicht eine bessere Ausnutzung des Gärraumes und auch eine Verkürzung der Gärzeit, Bei diesem Verfahren werden Teilmengen der Maisohe zu einem Eefesatz gefördert bis die Endkonzentration von 50 χ 10 Zellen pro ml erreicht ist (Kreipe, H.ί Getreide- und Kar· toffelbrennerei Berlin (West) 1972).

Dabei kann entweder über 20 Stunden mit gleichbleibenden Teilmengen gearbeitet werden oder in etwa 30 Stunden mit steigenden stUndHohen Gaben, die 1 bis 5 % des Gesamtvolumens betragen. Durbh eine zweckmäßige Temperierung der zugeförderten Maisohe kann die optimale Gärtemperatur ge-

halten werden, so daß eine Kühlung der gärenden Maisohe nicht erforderlioh ist. Im Duröhsohnitt beträgt die Gärdauer kd Stunden.

Insgesamt sind die derzeitigen Verfahren an ein Temperaturregime gebunden, das durch die Empfindlichkeit der Betriebshefestämme gegen Über erhöhten Gärtemperaturen bestimmt wird. In Zonen wärmeren Klimas (Tropen) entstehen zusätzliche Probleme, weil die natürlichen Kühlquellen eine zu geringe

Temperaturdifferenz zu den Gärmedien aufweisen* Aus diesem Grunde muß ein erhöhter apparativer Aufwand getrieben werden, der energieaufwendig ist. Weiterhin entstehen ernsthafte Probleme durch mikrobielle Kontaminationen, die zu Ausbeuteverluste führen·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Ethanolproduktion bei gleichzeitiger Verkürzung der Gärzeit und geringerem Ausrüstungsaufwand·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, durch den Einsatz geeigneter Hefestämme ein Verfahren zur Ethanölpro- / duktion bei höheren Gärtemperaturen zu entwickeln, die sich gegenüber den bisher bekannten Lösungen auf dem Gebiet deutlich abheben«

Erfindungsgemäß werden zur Ethanölproduktion eindeutig charakterisierbare Hefestämme der Art Saocharomyoes cerevisiae und/oder Saooharomyces uvarum, die gegen Absterbetemperaturen unempfindlich sind und gegenüber Normalstämsnen erhöhte D-Werte von I 25 s bei I 58°C aufweisen, ausgewählt«

Die sich anschließende Propagation und Fermentation erfolgt diskontinuierlich oder kontinuierlich in ein- oder mehrstufigen Systemen, wobei die Temperaturen bei der Propagation * 39°C und bei der Fermentation in einstufigen Systemen I 39°C bzw, in mehrstufigen Systemen = k2°C betragen.

Zunächst werden Hef©stamme mit einer Alkoho!bildung von 1 g Ethanol/g Hefe χ Ja ausgewählt. Bei der Herführung dieser Stämme erfolgt eine Temperaturerhöhung nach JLonginowa, G. C, :

Fisiologija eehsperimentalno polutsohennyoh termofilnycb

droshshei

Isdatjelstwp Akademii Nauk SSSR, Moskwa i960* Im Anschluß daran erfolgt die D—Wertbestimmung« Die Anstellmenge ist bei der Propagation etwa 70 χ 10 Zellen/l zu halten· Die Eignung der jeweiligen Hefestämme zur erf indungsgetnäßen Erzeugung von Ethanol bei höheren Temperaturen wird an Hand ihrer Äbsterbeempfindlichkeit im oberen Temperaturbereich ermittelt. Die eingesetzten Hefestämme weisen D»Verte auf, die deutlich gegenüber denen von Normalstämmen erhöht sind; die Hefestämme zeigen außerdem einen veränderten Verlauf der

Wachstumskurve_β

D-Werte der Normals tätsme (58°C)

a) S, oerevisiae 7»78

b) S, oerevisiae 7,59 o) S. oerevisiae 9,93

D-Werte adaptierter Stämme (58°C) 26,8 25,2 26,79

Der auch als " decimal reduotiont time " bezeichnete D-¥ert ist die notwendige Zeit in Minuten, die zur Abtötung von 90 % der vorliegenden Ausgangskeimzahl bei konstanter Temperatur erforderlich ist» Mit Hilfe des D-Wertes ist es möglich, die Hitzeresistens verschiedener Arten von Mikroorganismen bei konstanter Temperatur zu vergleichen oder die Hitzeresistenz einer Art bei verschiedenen Temperaturen zu bestimmen. Je größer der D-Wert ist, desto unempfindlicher ist die Mikroorganismenart gegenüber Hitzeeinwirkungen.

Das Prinzip der Methode zur Untersuchung des Absterbeverhaltens von Hefen bei Einwirkung letaler Temperaturen besteht darin, daß eine Keimsuspension bestimmter Konzentration bei konstanter Temperatur eine bestimmte Zeit erhitzt wird und anschließend die überlebenden Keime ermittelt werden« Es kann wie folgt verfahren werdens

Bine größere Anzahl Glaskapillaren von 70 mm Länge, 2 mm Außendurchmesser und 1 mm Innendurchmesser wird jeweils mit 0,02 ml einer Hefesuspension befüllt, die 50 bis 80 χ 10 Zellen pro ml enthält. Nach dem Zusohmelzen werden die Kapillaren in ein auf 58 C bzw« 62 C temperiertes Wasserbad gebracht und für 1 s bis. 160 s darin belassen« Mittels eines χ-y-Schreibers wird der Temperaturverlauf in den Kapillaren registriert* Nach dem Erreiohen der vorgesehenen Erhitzungsdauer zuzüglich k s Aufheizzeit werden die Kapillaren rasoh in Eiswasser gebracht, so daß schlagartig die Abkühlung erfolgt (innerhalb einer Sekunde). Im Ansohluß daran werden die Kapillaren an beiden Enden geöffnet und der Inhalt mit Hilfe einer Injektionsspritze mittels sterilem destillierten Wasser in eine sterile Petrischale gespült. Zum Plattengießen wird 10 $-iger ungehopfter Würzeagar verwendet· Nach einer Bebrütungszeit von 3 bis 5 Tagen bei 25 C werden die auf dem Agar gewachsenen Kolonien ausgezählt« Die ermittelte Koloniezahl pro ml wird zur Berechnung des D-Wertes herangezogen, der nach der folgenden Formel berechnet wird:

D s. t . .

i_e N_o- ig N_t

t: Haltezeit (s) bei der Erhitzungstemperatur N: Keimzahl (ml" ) N vor Erhitzung, N. naoh der Erhitzung

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, bei höheren Temperaturen und höheren Gärgesohwindigkeiten eine Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeuten zu erreiohen, die Investitionskosten für die Kühleinrichtungen zu senken sowie die Betriebskosten für die Kühlung zu vermindern· Von Vorteil ist, daß infolge der höheren Prozeßtemperaturen eine Ausbeuteverringerung durch Kontaminationsorganismen weitgehend vermieden wird,, da die Alkoholempfindliohkeit vieler Kontaminanten mit der Temperatur steigt· Der Einsatz von Hefestämmen gestattet es, Prozeßabläufe neu zu gestalten, deren ökonomische Realisierung mit Normalhefen nicht möglich ist·

Ausführungsbeispiele

Es wird zunächst aus den Normalstämmen' über die D-Wertbostimmung ein gegen Absterbetemperatüren unempfindlicher Hefestamm ausgewählt und über die Herführstufen die benötigte Biomasse angezüohtet. Dabei soll das Anzuohtmediutn auch der ersten Reinzuchtstufen dem späteren Produktionsmedium angepaßt werden (Vergärung von Getreidemaischen - maltosehalti-

ge Medien, Vergärung von Melassen - saooharosehaltige Medien). Die Temperatur in den Herführstufen soll cahe der Propagationstemperatur liegen, keinesfalls unter 30 C abgesenkt werden. ,

1, Ethanolproduktion mit einem Stamm der Art Saocharotnyoes cerevisiae auf Basis Roggen, einstufiges System

Die Maische wird nach TGL 33272 (Kaltmaisohverfahren) hergestellt» Bei einer Temperatur zwischen 35 und 39 C wird mit Hefe angestellt, wobei die" Hefegabe so zu bemessen ist, daß eine Zellzahl von 70 χ 10 Zellen/m^J eingestellt -werden kann« Die Gärtemperatur ist so zu führen, daß der optimale Temperaturbereich von 39 bis hz C eingehalten wird. Naoh etwa 50 Stunden sind die Kohlehydrate vergoren und das Ethanol kann mit den üblichen Methoden aus der Maische abgetrennt werden,

2. Ethanolproduktion mit einer Mischkultur von Stämmen der Arten Sacoharomyces oerevisiae und Saccharomyoes uvarutn auf der Basis Rübenmelasse, zweistufiges System

Der in herkömmlicher Weise verdünnten und zubereiteten Melasse wird eine Hefesuspension in einer Menge zugegeben,

12 *ί daß eine Zellkonzentration von 60 χ 10 Zellen/m^J einestellt werden kann· Die Hefesuspension enthält eine Mischung von Zellen der adaptierten Stämme der Arten S, cerevisiae und S. warum im Verhältnis 2:1_# Die Anstelltemperatur beträgt 35 C, Die Temperatur in der Propagationsstufe wird so geführt, daß die Optimaltemperatür von 39°C innerhalb von 3 Stunden erreicht und gehalten wird. Nachdem sich

die Zellzahl in der Vermehrungsstufβ verdreifacht hat, wird der Behälterinhalt in die Fermentationsstufe überführt, deren Volumen ein Zweifaches der Propagationsstufe beträgt. In das Medium im Behälter werden innerhalb von 20 Stunden gleichbleibende Teilmengen frisoher, zweckmäßig auf nahe 39 C temperierter, zubereiteter Heiasse dosiert· Die Temperatur in der Fermentationsstufe wird auf **2°C gehalten, Naoh dem Abgären wird der Inhalt der Fermentationsstufe einem Separator zugeleitet, der die Hefe abtrennt« Das Ethanol wird mit den üblichen Methoden aus dem Klarlauf gewonnen« Die Hefe kann in die Propagationsstufe zurückgeführt \<erden, vorzugsweise in einer Menge, die 2/3 der in der Propagation benötigten Konzentration ausmacht. ,

Claims (3)

1. t.· Verfahren zur Ethan©!produktion auf der Basis zuckerhaltiger und anderer KohlehydrathaItiger, eigenenzymatisober Rohstoffe bsw_e kohlehydrathaltiger Rohstoffe zusammen mit enzymhaltigen Rohstoffen einschließlich Enzympräparaten und Enzymkulturlb'sungen unter Verwendung von Hefestämmen der Arten Saccharomyces cerevisiae und/oder Sacoharomyces uvarußiy charch, daß gegen Absterbetemperaturen' unempfindliche Hefestämme, die gegenüber Normalst&mmen erhöhte.D-Wer—

   % p ο '

   te von £ 25 s bei = 58 C aufweisen, ausgewählt werden, die sich -anschließende Pro legation und Fermentation diskontinuierlich oder kontinuierlich in ein- oder mehrsstufigen Systemen erfolgt, wobei die Temperatur bei der Propagation ftf 39 C und bei der Fermentation in einstufigen Systemen = 39°C bzw. in mehrstufigen Systemen = hZ C zu halten sind»
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, S^BBSS^£^^S^^^^£^ zunächst Hefestämme mit einer Alkoholbildung von ^Ig Ethanol/g Hefe x.h ausgewählt werden, bei der Berführung dieser Stämme eine Temperaturerhöhung nach Longinowa, G, C, erfolgt und im Anschluß daran die D-Wertbestimmung vorgenommen wird«,
3. 3. Verfahren nach Punkt 1 , S®^£2Z2^£^£töaduroh, daß - die Anstellmenge bei der Propagation etwa 70 χ 10 Zellen/l zu halten ist«