ES2847300T3 - Método para prevenir la infección bacteriana en un proceso de fermentación - Google Patents

Abstract

Un método para prevenir una infección bacteriana en un proceso de fermentación de un material que contiene azúcar, caracterizado porque se usa un desinfectante que comprende ácido perfórmico.

Description

DESCRIPCIÓN

Método para prevenir la infección bacteriana en un proceso de fermentación

La presente invención se refiere a un método mejorado para prevenir la infección bacteriana en un proceso de fermentación usando ácido perfórmico.

El etanol se puede producir a partir de casi cualquier material que exista en forma de azúcar fermentable o que se pueda convertir en él. Hay muchas fuentes de azúcares naturales disponibles para la fermentación, tales como la remolacha azucarera y la caña de azúcar, pero cualquier tipo de carbohidratos tales como el almidón y la celulosa también se pueden convertir en azúcares fermentables que luego fermentan a etanol. Incluso hoy, en la mayor parte del mundo, el etanol se produce mediante el proceso de fermentación.

Si se usa un carbohidrato tal como almidón o celulosa para la fermentación, entonces se requiere una etapa de sacarificación o producción de azúcar (proceso de descomposición de un carbohidrato complejo, tal como almidón o celulosa, en sus componentes monosacáridos) antes de la fermentación, para convertir el carbohidrato en un azúcar fermentable. Esta etapa de sacarificación es bien conocida por el experto en la técnica y no constituye una parte de la presente invención. Una vez completada la etapa de sacarificación, se añade levadura a los azúcares fermentables obtenidos y luego comienza la fermentación. Como alternativa, hoy en día muchos destiladores agregan la enzima de sacarificación al fermentador con la levadura. Esta sacarificación y fermentación simultáneas permite fermentar concentraciones más altas de almidón.

Por supuesto, si la fuente de azúcar proviene de cultivos tales como la caña de azúcar, la remolacha azucarera, la fruta o la melaza, la sacarificación no es necesaria y la fermentación puede comenzar inmediatamente con la adición de levadura y agua.

El material que contiene azúcar de la caña de azúcar se puede obtener, por ejemplo, mediante el siguiente proceso: Una vez recolectada, la caña de azúcar generalmente se transporta a la planta en camiones semirremolques. Después de un control de calidad, la caña de azúcar puede lavarse. Luego se pica y se tritura con cuchillos giratorios. El azúcar se produce exprimiendo primero el jugo de los tallos. El jugo crudo se clarifica, se retiran las impurezas y los sólidos y luego se espesa. Después de esto sigue una serie de etapas de cristalización para producir cristales de azúcar, que se retiran. El jarabe restante es melaza. La fermentación de la sacarosa de la caña de azúcar se puede realizar usando el jugo obtenido directamente de exprimir los tallos de la caña de azúcar o de la melaza.

El material típico que contiene azúcar que se usa como material de partida para la fermentación se elabora a partir de jugo de caña y/o melaza y agua para obtener una concentración de azúcar de 18-23 ° Brix y a menudo se le llama mosto.

En el proceso de fermentación, se añade levadura a una solución de azúcares simples. La levadura es un pequeño microorganismo que usa el azúcar de la solución como fuente de energía y, al hacerlo, expulsa etanol y dióxido de carbono como subproductos. El dióxido de carbono sale en forma de gas, burbujeando a través del líquido, y el etanol permanece en solución. Desafortunadamente, la levadura se estanca cuando la concentración del etanol en solución se acerca a aproximadamente el 18 por ciento en volumen, haya o no aún presentes azúcares fermentables.

La fermentación tiene lugar en uno o varios recipientes de fermentación. En este proceso de fermentación, los azúcares se transforman en etanol mediante la adición de levadura. El tiempo de fermentación varía de cuatro a doce horas o más, lo que da como resultado un contenido de etanol del 7 al 10 % por volumen total (° GL), llamado vino fermentado. La levadura se recupera como crema de levadura de este vino, normalmente mediante una centrifugadora. Aprovechando los diferentes puntos de ebullición, el etanol del vino fermentado se separa de los principales componentes sólidos restantes.

Para producir grandes cantidades de etanol, la práctica común ha sido usar un proceso por lotes en el que los recipientes de fermentación extremadamente grandes capaces de contener de 600 m3 hasta 4000 m3.

Después de la fermentación, se usan procesos de destilación para retirar el etanol de la solución de fermentación y concentrarlo más. Las torres de destilación capaces de tales separaciones y concentraciones son bien conocidas en la técnica.

La etapa de fermentación es una de las etapas más importantes en la producción de etanol. Además, una de las principales preocupaciones de los sistemas de fermentación convencionales es la dificultad de mantener niveles bajos aceptables de bacterias en lotes de gran tamaño y con el largo período de fermentación. Desafortunadamente, la atmósfera óptima para la fermentación también es extremadamente propicia para el crecimiento bacteriano. Si un lote se infecta, no solo se debe desechar la levadura y la solución de azúcar, sino que se debe vaciar, limpiar y esterilizar todo el recipiente de fermentación. Tal incidencia requiere mucho tiempo y es costosa.

Adicionalmente, muchas de estas bacterias compiten con la levadura por el azúcar, reduciendo así la cantidad de etanol que se produce, reduciendo así el rendimiento de la fermentación. Las bacterias pueden crecer casi diez veces más rápido que la levadura, por lo que la contaminación en estas áreas es inevitable. Tras el consumo de azúcar, estas bacterias producen ácido láctico y otros subproductos no deseados.

Además, si los recipientes de fermentación no se desinfectan o esterilizan adecuadamente entre lotes o usos, las bacterias y otros microorganismos indeseables pueden adherirse a las paredes interiores de las cubas de fermentación donde crecerán y florecerán y formarán biopelículas. Estos microorganismos indeseables pueden consumir cantidades valiosas de carbohidratos o azúcares, reduciendo así la producción de etanol, o pueden contaminar coproductos de etanol tales como pienso para animales. La economía y la eficiencia de los procesos de fermentación son con frecuencia tales que no pueden tolerar tal pérdida de producción.

Los métodos actuales usados para matar estos microorganismos no deseados, entre otros, a menudo implican la introducción de agentes exógenos, tales como antibióticos, compuestos de amonio cuaternario y dióxido de cloro en la fermentación antes o durante la producción de etanol.

Por lo general, se agregan antibióticos químicos sintéticos a los recipientes de fermentación en un intento de disminuir el crecimiento de bacterias productoras de ácido láctico. Los antibióticos son costosos y pueden aumentar considerablemente los costos de una producción a gran escala.

Hay un gran deseo en el campo de la producción de etanol de lograr medios efectivos para una prevención de infecciones bacterianas que sea segura, de bajo costo y ambientalmente racional, pero que potencie, en lugar de degradar o limitar, la actividad eficaz de los microorganismos productores de alcohol. Existe la necesidad en la técnica de un compuesto y un método que aumenten los rendimientos de etanol combustible por fermentación. O, en otros términos, existe la necesidad en la técnica de un compuesto y un método para reducir la población de microorganismos no deseados en la fermentación de etanol combustible con el fin de aumentar el rendimiento de etanol. Se han sugerido varios aditivos con más o menos éxito. Así, en el documento WO 2007/149450 se describe un proceso para prevenir el crecimiento bacteriano en procesos de fermentación, según el cual se añade un dióxido de cloro estabilizado. Sin embargo, el tratamiento con dióxido de cloro requiere un pH bajo de menos de 45. En el documento US 1727223 se describe un proceso para mejorar el proceso de fermentación de un material sacarífero, según el cual se añade un peróxido inorgánico u orgánico a dicho material. Además, en el documento WO 2004/072291 se divulga el uso de ácidos de lúpulo en la producción de etanol combustible.

En vista de lo anterior, es un propósito de la presente invención mejorar el rendimiento de los procesos de fermentación y en particular la fermentación de un material que contiene azúcar a etanol.

Otro objeto de la presente invención es minimizar o incluso eliminar el uso de ácido sulfúrico y antibióticos.

Un beneficio adicional de esta invención es que el exceso de levadura se puede usar fácilmente en la industria de los piensos porque no contiene residuos de antibióticos y biocidas.

Según la presente invención, se ha conseguido una mejor desinfección en un proceso de fermentación de una manera sorprendentemente fácil y económica añadiendo ácido perfórmico al material a fermentar o que se está fermentando.

Descripción detallada de la invención

Como se menciona anteriormente, para reducir la población de microorganismos y/o bacterias no deseados en el proceso de fermentación del material que contiene azúcar, se añade un desinfectante que comprende ácido perfórmico.

La presente invención se define en las reivindicaciones adjuntas.

El ácido perfórmico es un líquido incoloro miscible con agua y etanol. Las soluciones de ácido perfórmico son inestables como tales, por lo que normalmente se producen como solución de equilibrio en el lugar de uso. Se producen como soluciones acuosas por reacción de ácido fórmico y peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador, siendo el catalizador, por ejemplo, un ácido mineral seleccionado entre ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido clorhídrico y ácido nítrico. El catalizador también puede ser un compuesto que contiene al menos un grupo éster y/o un grupo diferente de un grupo ácido carboxílico y un grupo alcohólico, preferiblemente un éster de ácido carboxílico, formando así soluciones acuosas en equilibrio que comprenden ácido perfórmico.

El ácido perfórmico se puede preparar a partir de ácido fórmico y peróxido de hidrógeno. La relación molar de ácido fórmico y peróxido de hidrógeno puede ser de 1:10 a 10:1, preferiblemente de 1:3 a 3:1. Una mezcla típica de ácido perfórmico y los materiales de partida, cuya mezcla es una solución de equilibrio y puede usarse como desinfectante de acuerdo con la invención, contiene aproximadamente 5-30 % en peso de ácido fórmico, aproximadamente 10-40 % en peso de peróxido de hidrógeno y aproximadamente 3 a 25 % en peso, preferiblemente 5 a 20 % en peso de ácido perfórmico. Con el fin de la preparación del ácido perfórmico, se emplea típicamente ácido fórmico de calidad técnica con una concentración de, por ejemplo, 85 % en peso. El peróxido de hidrógeno se emplea preferiblemente en una concentración de 20 a 50 % en peso, más preferiblemente de aproximadamente 35 a 50 % en peso. Las concentraciones más altas presentan riesgo de explosión. Si se usa un ácido mineral como catalizador, la cantidad de catalizador ácido, por ejemplo la cantidad de ácido sulfúrico en la solución de equilibrio, es aproximadamente del 1 al 15 % en peso. También hay agua en la solución de equilibrio.

En el proceso de la presente invención, el ácido perfórmico se añade a uno o más de los materiales fermentables que contienen azúcar, tales como la melaza y el jugo fermentable, el inoculante (la levadura) o el sistema de fermentación, en una cantidad eficaz para reducir la población de bacterias y así prevenir la formación de subproductos no deseados como ácido acético o ácido láctico en el sistema. Es decir, el ácido perfórmico se añade antes del crecimiento sustancial de bacterias en el sistema de fermentación, tal como antes de la introducción de cualquiera o todos los ingredientes necesarios para iniciar el proceso de fermentación. La necesidad de añadir ácido perfórmico se puede determinar midiendo las concentraciones de ácido acético y ácido láctico en el sistema o por otros medios adecuados.

Puede añadirse un desinfectante que comprende ácido perfórmico antes y/o durante el proceso de fermentación. Puede añadirse ácido perfórmico al material que contiene azúcar o al inoculante (crema de levadura) antes de su introducción en el sistema de fermentación. Por ejemplo, se puede añadir en forma de la solución de equilibrio mencionada anteriormente. En una realización, se añade ácido perfórmico al recipiente o recipientes de fermentación junto con la corriente de flujo de un material que contiene azúcar a fermentar, que comprende melaza y/o jugo que contiene azúcar. En otra realización, se añade ácido perfórmico a la levadura. En otra realización más, se añade ácido perfórmico al recipiente o recipientes de fermentación junto con la corriente de flujo de un material que contiene azúcar a fermentar, tal como melaza y/o jugo que contiene azúcar, y a la levadura. El proceso de fermentación puede ser discontinuo o continuo. Por la expresión "sistema de fermentación" se entiende el tren de licuefacción de flujo continuo o discontinuo y los tanques de fermentación, recipientes, reactores, intercambiadores de calor, tuberías (tales como un reactor de flujo pistón) o combinaciones de los mismos, en los que se produce la fermentación del azúcar. En la presente solicitud de patente, la expresión "recipiente de fermentación" se usa para cualquier tipo de soporte para el proceso de fermentación, tal como un tanque, un reactor de cualquier tipo, una cisterna, una tolva, una cuba, etc. Como alternativa o además de ello, se puede añadir ácido perfórmico como una corriente separada al sistema de fermentación, además del azúcar fermentable y el inoculante. En un proceso discontinuo, el ácido perfórmico se puede añadir como alternativa antes, durante y/o después de la adición del azúcar fermentable y/o inoculante al recipiente de fermentación. Cuando el inoculante es levadura, también se puede añadir ácido perfórmico al tanque de propagación de levadura. Sin embargo, básicamente, el ácido perfórmico debería añadirse antes del crecimiento sustancial de bacterias en el sistema de fermentación. Además, el ácido perfórmico se puede añadir al recipiente de fermentación simultáneamente o después de la adición del material que contiene azúcar a fermentar. Además, como se menciona anteriormente, el ácido perfórmico se puede añadir al recipiente o recipientes de fermentación junto con el inoculante, por ejemplo, levadura.

El ácido perfórmico se añade en una cantidad eficaz y por "cantidad eficaz" se entiende una cantidad que es capaz de reducir la población de bacterias sin afectar negativamente al proceso de fermentación. Tales condiciones permiten que el inoculante convierta rápida y eficazmente el azúcar fermentable en etanol. El ácido perfórmico se añade en una cantidad eficaz para reducir sustancialmente la población de bacterias, pero tiene poco impacto en la levadura o en las principales variables del proceso de fermentación. Esta cantidad será típicamente de aproximadamente 1 a 2000 mg de ácido perfórmico por litro de material que contiene azúcar en el recipiente o recipientes de fermentación cuando se hayan añadido todos los reactivos al sistema. Se entenderá que la cantidad de ácido perfórmico necesaria dependerá de la carga total de bacterias introducidas en el sistema. Los factores adicionales a considerar para determinar la cantidad de ácido perfórmico a añadir incluyen el momento de la adición del inoculante (levadura) y el pH, y hasta cierto punto también en qué parte del sistema se añade el ácido perfórmico. Preferiblemente, la cantidad de ácido perfórmico añadida dará como resultado 2-400, más preferiblemente 5-100 mg de ácido perfórmico por litro de material que contiene azúcar en el recipiente o recipientes de fermentación. Esta cantidad es lo suficientemente sustancial como para minimizar las interrupciones del proceso debido a la contaminación bacteriana y para minimizar la necesidad de otros biocidas; antibióticos. Preferiblemente, el material que contiene azúcar en el sistema de fermentación tiene un pH de 3-8, preferiblemente 4-8 y lo más preferiblemente 5,5-8.

Al operar una planta de fermentación de acuerdo con esta invención, se logra una tasa reducida en la frecuencia de (incluso con la eliminación potencial de) los efectos deletéreos de la infección bacteriana. Así, en el proceso de esta invención, la productividad y rentabilidad a largo plazo aumentan en la operación de una planta de fermentación.

En el proceso de esta invención, la fermentación ocurre en un sistema de fermentación por lotes o continuo. La mezcla de productos del sistema de fermentación comprende principalmente etanol, agua e inoculantes tales como levadura. Después de la descarga del sistema de fermentación, se pueden realizar las etapas del proceso convencional para la separación y purificación u otro procesamiento del etanol. El producto de fermentación se puede destilar para separar el etanol de la mayor parte del agua presente y de los sólidos. Los sólidos se pueden recuperar. El etanol destilado puede tratarse adicionalmente, por ejemplo poniéndolo en contacto con tamices moleculares, para retirar el agua restante. En la producción de bebidas, es posible que se requiera envejecimiento, mezclado u otro procesamiento. El etanol combustible purificado puede tratarse con un agente desnaturalizante. También se pueden recuperar dióxido de carbono coproducido y sólidos.

En el proceso para la reducción de la población de bacterias no deseadas, la solución acuosa de ácido perfórmico se puede añadir al medio del proceso de forma continua, discontinua o mediante dosificación de choque. La solución se puede añadir al medio de proceso a través de sistemas de dosificación cerrados. Eso significa que el control de microorganismos puede realizarse mediante el uso de las instalaciones de proceso (sistemas de dosificación cerrados) ya disponibles.

Generalmente, la temperatura del material que contiene azúcar en el sistema de fermentación a tratar está por debajo de 100 ° C, en un aspecto por debajo de 50 ° C y en otro aspecto por debajo de 40 ° C.

El proceso para reducir la población de bacterias y otros microorganismos no deseados puede automatizarse mediante el uso de controles de tiempo para las bombas y válvulas dosificadoras. También en este caso, la eficiencia aumenta. El efecto mejorado significa que se puede reducir la concentración total de ingredientes activos, lo que produce una serie de ventajas. O se logran costos reducidos mediante una dosificación más baja o la misma dosificación produce un mejor efecto.

En el siguiente ejemplo, se preparó ácido perfórmico mezclando primero 110 g de ácido fórmico al 85 % en peso, 24 g de agua y 26 g de ácido sulfúrico concentrado. Luego, la solución resultante se mezcló con 192 g de peróxido de hidrógeno al 50 % en peso, para generar ácido perfórmico como una solución de equilibrio. Se calculó que la concentración de ácido perfórmico era del 99 % en peso.

Las bacterias viables totales y las levaduras viables en las muestras de la presente se midieron como unidades formadoras de colonias (UFC) por unidad de volumen (es decir, UFC/ml). La viabilidad de las levaduras y su capacidad para reproducirse se midieron mediante el uso de un método microscópico, en el que se utilizó un tinte específico (eritrosina) para visualizar la cantidad y la forma (vivas, muertas, en gemación) de las células de levadura.

Ejemplo 1.

Las muestras de crema de levadura (recuperadas del vino, a través de una centrífuga) se diluyeron con agua de lago en una proporción de 30 % 70 %, respectivamente. Las muestras de crema de levadura diluidas (más tarde llamadas soluciones de crema de levadura) se expusieron a concentraciones variables de ácido perfórmico en la solución de equilibrio como sigue: 49,5 ppm, 74,3 ppm y 99 ppm. En una muestra de control, no se añadió ácido perfórmico a la solución de crema de levadura. El efecto del ácido perfórmico sobre las bacterias se determinó mediante un método (método 1) y sobre las células de levadura mediante dos métodos (métodos 1 y 2).

Método 1.

Las muestras expuestas y la muestra de control se mantuvieron a 30 ° C durante 30 minutos, después de lo cual se enumeró la cantidad de microbios supervivientes. El método utilizado fue un método de cultivo y dilución en serie, donde se midió el efecto del ácido perfórmico sobre la solución de crema de levadura mediante la dilución y el cultivo de la muestra después de la exposición, para enumerar la cantidad de crecimiento microbiano. Este método implica la dilución de cada muestra por un factor lo suficientemente grande como para permitir una separación clara de colonias microbianas individuales en películas Petri™ (de 3M); permitiendo así que las colonias sean contadas individualmente. Cuando se habían aplicado e inoculado muestras diluidas, las películas Petri™ se incubaron a 35 ° C durante 48 horas (bacterias) o a 30 ° C durante 48 horas (levaduras). Los resultados se proporcionan en la Tabla 1.

Método 2.

Las muestras expuestas y la muestra de control se mantuvieron a 30 ° C durante 5 horas, después de lo cual se midieron los parámetros específicos de las células de levadura. Estos parámetros incluían la cantidad de células de levadura vivas, células de levadura muertas y células de levadura en gemación (es decir, células de levadura en reproducción). El método usado era un método estándar, comúnmente adoptado por los molinos de la industria brasileña de la caña de azúcar. En el método, se llenó una cámara Neubauer con aproximadamente 10 gl de la muestra expuesta, donde se había mezclado el tinte de eritrosina. En el cubreobjetos, se añadió una gota de aceite de inmersión y se evaluaron los parámetros de células de levadura mencionados anteriormente usando un objetivo de inmersión (100x) del microscopio. Las células que presentaban coloración rosada se contabilizaron como células muertas y las incoloras como células vivas. Las células en gemación se determinaron sobre la base de la forma de la célula de levadura.

Se contó la cantidad total de células de levadura y se comparó con el resultado obtenido con el Método 1. Los resultados se proporcionan en la Tabla 1 (recuento de células de levadura de Neubauer).

La viabilidad celular indica el porcentaje de células viables sobre el total de células (vivas muertas). El % de reproducción celular indica el porcentaje de células en gemación sobre el total de células vivas. El % de viabilidad de las células de levadura y el % de reproducción se muestran en la Tabla 2.

Tabla 1 Cantidad de bacterias y levaduras después de la exposición al ácido perfórmico.

Tabla 2. El % de viabilidad de las células de levadura y el % de reproducción

La presente invención se ha divulgado con referencia particular a algunas realizaciones específicas de la misma, pero debería entenderse que el experto en la técnica puede realizar modificaciones y cambios sin apartarse del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un método para prevenir una infección bacteriana en un proceso de fermentación de un material que contiene azúcar, caracterizado porque se usa un desinfectante que comprende ácido perfórmico.

2. El método según la reivindicación 1, que incluye el uso de un sistema de fermentación que comprende el material que contiene azúcar y un inoculante tal como levadura, en el que el desinfectante se añade al material que contiene azúcar y/o al inoculante.

3. El método según la reivindicación 2, caracterizado porque el desinfectante comprende ácido perfórmico en forma de solución acuosa.

4. El método según la reivindicación 2 o 3, caracterizado porque el ácido perfórmico está en forma de solución de equilibrio.

5. El método según la reivindicación 3, caracterizado porque dicha solución contiene entre 3 y 25, preferiblemente entre 5 y 20 por ciento en peso de ácido perfórmico.

6. El método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque dicho proceso de fermentación es para la producción de etanol.

7. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque el desinfectante que comprende ácido perfórmico se añade al material que contiene azúcar antes de que este último se introduzca en el sistema de fermentación.

8. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque el desinfectante que comprende ácido perfórmico se añade al material que contiene azúcar durante el tiempo en el que ese material se añade al recipiente o recipientes de fermentación.

9. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque el desinfectante que comprende ácido perfórmico se añade al recipiente o recipientes de fermentación como una corriente de flujo separada.

10. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6. caracterizado porque el desinfectante que comprende ácido perfórmico se añade al recipiente o recipientes de fermentación junto con la corriente de flujo de un material que contiene azúcar a fermentar, que comprende melaza y/o jugo que contiene azúcar.

11. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque el desinfectante que comprende ácido perfórmico se añade al tanque de propagación de levadura.

12. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque el desinfectante que comprende ácido perfórmico se añade al recipiente o recipientes de fermentación junto con el inoculante, tal como la levadura.

13. El método según la reivindicación 2, caracterizado porque el ácido perfórmico se añade al material que contiene azúcar en una cantidad de 1 a 2000 mg de ácido perfórmico por litro de material que contiene azúcar en el recipiente o recipientes de fermentación.

14. El método según la reivindicación 13, caracterizado porque el ácido perfórmico se añade al material que contiene azúcar en una cantidad de 2 a 400, preferiblemente de 5 a 100 mg de ácido perfórmico por litro de material que contiene azúcar en el recipiente o recipientes de fermentación.