ES2928957T3 - Proceso de flujo de pistón vertical para la producción simultánea de etanol y un producto de transformación sólido fermentado del sustrato - Google Patents
Proceso de flujo de pistón vertical para la producción simultánea de etanol y un producto de transformación sólido fermentado del sustrato Download PDFInfo
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Abstract
La invención se refiere a un método para la producción simultánea de un producto sólido de transformación del sustrato y etanol crudo que comprende los siguientes pasos: - preparación de un sustrato a partir de biomasa molida o en copos que comprende materia proteica que se origina a partir de soja, colza o mezclas de los mismos , opcionalmente en mezcla adicional con materia proteica procedente de habas, guisantes, pipas de girasol, chocho, cereales y/o gramíneas, - mezclando dicho sustrato con levadura viva en una relación de materia seca de 1:1 a 10.000:1 y añadiendo agua en una cantidad que proporcione una relación de densidad aparente húmeda a densidad aparente seca de 0,60 a 1,45 en la mezcla resultante; - incubar dicha mezcla durante 1-48 horas a una temperatura de aproximadamente 20-60 °C; y - separar el etanol bruto y el producto de transformación sólido húmedo de dicha mezcla; comprendiendo además que la incubación se realiza como un proceso de flujo pistón continuo en un tanque de incubación cerrado, vertical, no agitado, con medios de entrada para dicha mezcla y aditivos y medios de salida para el producto de transformación sólido y etanol crudo. La invención se refiere además a los productos de este método así como a sus usos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Proceso de flujo de pistón vertical para la producción simultánea de etanol y un producto de transformación sólido fermentado del sustrato
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método de incubación de sustrato sólido para la producción simultánea de un producto de transformación sólido valioso del sustrato y etanol crudo por un proceso de flujo de pistón continuo en un tanque cerrado vertical, no agitado donde el transporte está mediado por fuerza gravitacional.
Antecedentes de la invención
Hay una necesidad para bioproductos que principalmente se pueden usar como alimento o pienso o como ingredientes en alimento o pienso. Los constituyentes básicos en tales productos son proteínas, grasas, e hidratos de carbono. Las biomasas adecuadas para tales productos son plantas oleaginosas tal como semillas oleaginosas, cereales, y legumbres. Los cereales tienen un contenido en proteína de hasta el 15%, por ejemplo, en trigo, y las legumbres tienen un contenido en proteína de hasta el 40%, por ejemplo, en habas de soja, basado en materia seca.
Un problema general especialmente relacionado con las leguminosas y frutos y semillas de legumbres son el contenido de oligosacáridos no digeribles, tal como estaquiosa y rafinosa, que producen flatulencia y diarrea cuando fermentan en el colon.
Hay una necesidad similar para el desarrollo de fuentes de energía sostenibles, y el bioetanol es una fuente atractiva como el combustible para, por ejemplo, transporte. Por tanto, hay una necesidad para un proceso que pueda producir bioetanol a bajo coste.
Los métodos de bajo coste conocidos en la técnica son procesos de fermentación de sustrato sólido o de estado sólido (SSF) realizados con bajo contenido de agua. El proceso consiste en un sustrato sólido, húmedo inoculado con microorganismos adecuados y dejado para fermentación en condiciones de temperatura controlada durante un periodo de tiempo.
Normalmente el sustrato se incuba por lotes en lechos planos sin agitación; un ejemplo de este proceso se conoce como el proceso Koji. Los procesos por lotes también se realizan usando medios de agitación.
Los procesos de SSF continuos también se describen en la bibliografía usando los siguientes reactores: tanque agitado, reactores de tambor giratorio y flujo tubular. Un ejemplo de un reactor de flujo tubular es el tipo de transportador de tornillo.
El documento WO 2006/102907 A1 divulga un método de preparar un producto de proteína derivado de levadura y partes proteinaceas de leguminosas incubando en condiciones anaerobias a un contenido de agua que no supera el 80% seguido por incubación en un sistema cerrado.
El documento WO2013050456 divulga un método para la producción simultánea de etanol crudo y un producto sólido. La producción se realiza en uno o más transportadores de tornillo interconectados como un proceso por lotes o un proceso continuo.
Tisseyre B et al: "Conception and characterization of a continuous plug flow bioreactor"; Bioprocess engineering, Springer Verlag, DE, vol. 13, no. 3, 1 de enero 1995, páginas 113-118, divulga el diseño y uso de un tipo de reactor de flujo de pistón continuo (CPRF) y sus ventajas sobre otros reactores.
El documento US 4735724 divulga un digestor anaerobio de torre vertical no mezclado y un proceso para la digestión de la parte biodegradable de materia prima por microorganismos productores de metano. El método se caracteriza en que hay una retirada de líquido de una zona media o inferior a la parte superior de la torre.
El documento EP 2453004 B1 divulga un método para la fermentación anaerobia de material orgánico en un tanque cerrado y alimentación de arriba abajo en el tanque bajo la acción de la gravedad. El método se caracteriza en que la masa en fermentación se agita al alternativamente aumentar la presión del gas producto y liberar abruptamente la presión del gas producto.
El objeto de la presente invención es proporcionar un método alternativo para la producción de bioetanol crudo y la producción simultánea de un producto de transformación sólido valioso.
Otro objeto es proporcionar un método, que se pueda realizar en un diseño de reactor más grande, pero más sencillo que el diseño del estado de la técnica.
Aún un objeto es proporcionar un método alternativo para el tratamiento de biomasas basado en mezclas de biomasas, en particular habas de soja o semillas de colza o mezclas de las mismas.
Estos objetos se cumplen con el método de la presente invención.
Compendio de la invención
Según esto, en un aspecto de la presente invención se refiere a un método para la producción simultánea de un producto de transformación sólido del sustrato y etanol crudo que comprende las siguientes etapas:
• preparar un sustrato de biomasa molida o en copos que comprende materia proteinacea que se origina de habas de soja, semillas de colza, o mezclas de las mismas, opcionalmente en mezcla adicional con materia proteinacea que se origina de habas, guisantes, semillas de girasol, altramuz, cereales y/o hierbas,
• mezclar dicho sustrato con levadura viva en una proporción de materia seca desde 1:1 a 10.000:1 y añadir agua en una cantidad que proporcione un contenido en agua desde el 35% al 70% en peso y una proporción de densidad aparente húmeda respecto a densidad aparente seca desde 0,60 a 1,45 en la mezcla resultante; • incubar dicha mezcla durante 1-48 horas a una temperatura de aproximadamente 20-60°C; y
• separar el etanol crudo y el producto de transformación sólido húmedo de dicha mezcla;
que además comprende que dicha incubación se realice como un proceso de flujo de pistón continuo en un tanque cerrado, vertical, no agitado con medios de entrada para dicha mezcla y aditivos y medios de salida para dicho producto sólido de transformación y etanol crudo.
El presente método para el tratamiento de biomasa usa fuerza gravitacional para transportar/mover la biomasa durante la incubación. Aunque el uso de gravedad para el transporte en general es directo, requiere selección cuidadosa de las condiciones de reacción para el fin específico, tal como en el caso del presente proceso de flujo de pistón.
Normalmente, cuando el contenido de agua aumenta, una mezcla de incubación tiende a compactarse, por la reducción de volumen vacío, de modo que el comportamiento de transporte está afectado negativamente. Cuando se alcanza un cierto contenido de agua la mezcla se compacta a un nivel de modo el transporte por fuerza gravitacional se para. El material se pegará a las paredes del reactor, y el flujo de pistón uniforme se altera produciendo tiempo de retención desigual de la biomasa.
Además, si la incubación se realiza a presión elevada, que puede ser el caso bajo el efecto de la gravedad, la reacción:
Biomasa levadura ^ producto de transformación sólido EtOH CO2
tiende a ralentizarse.
La solución según la presente invención al problema relacionado con el transporte por fuerza gravitacional de la mezcla de incubación es hacer uso de un tanque cerrado como se define en las reivindicaciones para la incubación en donde el flujo de material se puede mantener tan alto y uniforme que las condiciones de flujo de pistón se alcanzan y mantienen. La velocidad de flujo se regula por los medios de entrada y salida y por las dimensiones (proporción de anchura a altura) del tanque.
Además, la solución según la invención debe asegurar el equilibrio del contenido de agua en la mezcla de incubación de modo que la actividad acuosa en la superficie de la partícula es suficiente para el proceso de reacción. Esto se alcanza manteniendo la proporción de densidad aparente húmeda respecto a densidad aparente seca del sustrato baja y en ciertos límites como se define en la reivindicación 1. En estas condiciones la mezcla actúa como un polvo de flujo libre.
Más específicamente, los presentes inventores han encontrado que el proceso uniforme necesario se puede lograr usando un sustrato/biomasa que tiene una proporción de densidad aparente húmeda respecto a densidad aparente seca de 0,60 a 1,45. En combinación con el presente diseño vertical para el proceso de flujo de pistón es posible asegurar un flujo de pistón uniforme y asegurar el mismo tiempo de procesamiento para el producto de transformación. Por último, el método de la presente invención se lleva a cabo sin agitación. Esto es contrario a los métodos del estado de la técnica de producción de etanol industrial que requiere agitación de un mezclador para mantener el organismo aplicado en suspensión.
El diseño vertical es menos caro en inversión que un diseño horizontal debido a su mayor capacidad en una única línea de producción. También es menos caro de mantener debido a menos movimientos mecánicos. El uso de un tanque no agitado contribuye además a costes operacionales reducidos.
Mediante este método más del 98% en peso del etanol crudo producido se puede recuperar. El rendimiento de etanol depende del contenido de hidratos de carbono en la mezcla de sustratos y la conversión en azúcares fermentables.
En base a soja desgrasada, es posible generar el 4-5% en peso de etanol, mientras en trigo se puede obtener aprox. el 20% en peso.
El método de la invención obtiene un etanol crudo que además comprende pequeñas cantidades de impurezas resultantes de la incubación de dicha biomasa con dicha levadura, por ejemplo, otros alcoholes y éteres.
El método de la invención obtiene un producto de transformación sólido del sustrato que comprende proteínas en una cantidad de aproximadamente el 25-90% en peso en base a materia seca, y opcionalmente glicérido en una cantidad de aproximadamente el 0,05-30% en peso en base a materia seca.
El producto de transformación sólido se puede usar para consumo humano y/o animal o como un ingrediente en un producto alimenticio o de pienso o como un ingrediente de un cosmético o un producto farmacéutico o un suplemento nutricional, en una cantidad desde el 1% al 99% en peso de un producto de transformación sólido.
Definiciones
En el contexto de la presente invención, los siguientes términos se pretende que comprendan lo siguiente, a menos que se define en otro sitio en la descripción.
Los términos “sobre”, “alrededor de”, “aproximadamente” o “~” se pretende que indiquen, por ejemplo, la incertidumbre de medida comúnmente experimentada en la técnica, que puede estar en el orden de magnitud de, por ejemplo, /-1, 2, 5, 10, 20 o incluso 50%.
El término “comprender” se debe interpretar como que especifica la presencia de la(s) parte(s), etapa(s), característica(s), composición(es), sustancia(s) química(s), o componente(s) mencionado(s), pero no excluye la presencia de una o más partes, etapas, características, composiciones, sustancias químicas o componentes adicionales. Por ejemplo, una composición que comprende un compuesto químico puede, por tanto, comprender compuestos químicos adicionales, etc.
Proceso de flujo de pistón:
En este tipo de proceso continuo, la mezcla de reacción fluye a través de, por ejemplo, un reactor tubular o poliédrico con retromezcla limitada. El flujo es un flujo laminar donde la composición de la mezcla de reacción cambia a lo largo de la dirección axial del reactor, o un flujo de masa uniforme.
Biomasa:
Comprende material biológico, producido por la fotosíntesis y que se puede usar como materia prima en producción industrial. En este contexto, biomasa se refiere a materia vegetal en la forma de semillas, cereales, leguminosas, hierbas, por ejemplo, judías y guisantes, etc., y mezclas de las mismas, y en particular frutos y semillas de legumbres. Además, una biomasa que comprende leguminosas es específicamente aplicable debido al contenido y composición de proteínas.
Incubación:
Es el proceso de incubar cultivos de microorganismos en un sustrato para un fin específico, por ejemplo, incubar levadura en un hidrato de carbono para producir alcohol.
Producto de transformación sólido del sustrato:
En general el tratamiento de biomasa por incubación con microorganismos se puede dividir en cuatro tipos:
• Producción de biomasa - material celular
• Producción de componentes extracelulares - compuestos químicos, metabolitos, enzimas
• Producción de componentes intracelulares - enzimas, etc.
• Producto de transformación del sustrato - el sustrato transformado es el producto
En el presente contexto, el producto de transformación sólido del sustrato se refiere a un producto resultante de la incubación de la biomasa seleccionada con levadura viva y opcionalmente enzimas.
Densidad aparente:
La densidad de un polvo se determina colocando un volumen fijo del polvo en un vaso de medida y determinando el peso o determinando el peso de un volumen medido de un polvo. Mediante esta prueba se pueden determinar las siguientes características:
Densidad aparente (también conocida como densidad volumétrica) = masa/volumen seco sin compactar en g/ml o kg/m3;
Densidad aparente húmeda (también conocida como densidad total) = la proporción de la masa total (Ms Mi) respecto a su volumen total;
Ms = masa de sólidos y Mi = masa de líquidos.
Normalmente, la densidad aparente se determina según los Estándares Internacionales ISO 697 e ISO 60, pero debido a la naturaleza de las sustancias esto no era aplicable en el presente contexto. El método individual usado se describe en los ejemplos.
Oligosacáridos y polisacáridos:
Un oligosacárido es un polímero sacárido que contiene al menos dos azúcares monómeros componentes. Los polisacáridos son polímeros sacáridos que contienen muchos azúcares monómeros componentes, también conocidos como hidratos de carbono complejos. Los ejemplos incluyen polisacáridos de almacenamiento tal como almidón y polisacáridos estructurales tal como celulosa.
Hidratos de carbono:
Comprenden mono-, di-, oligo- y polisacáridos.
Materiales proteinaceos:
Comprenden compuestos orgánicos con un contenido sustancial de proteínas hechas de aminoácidos organizados en una o más cadenas. A una longitud de cadena de hasta aproximadamente 50 aminoácidos el compuesto se llama un péptido; a mayor peso molecular el compuesto orgánico se llama un polipéptido o una proteína.
Grasas:
Comprenden ésteres entre ácidos grasos y glicerol. Una molécula de glicerol puede estar esterificada a una, dos o tres moléculas de ácidos grasos produciendo un monoglicérido, un diglicérido o un triglicérido, respectivamente. Habitualmente las grasas consisten en principalmente triglicéridos y cantidades menores de lecitinas, esteroles, etc. Si la grasa es líquida a temperatura ambiente normalmente se llama aceite. Con respecto a aceites, grasas y productos relacionados en este contexto se hace referencia a "Physical and Chemical Characteristics of Oils, Fats and Waxes", AOCS, 1996, así como a "Lipid Glossary 2", F.D. Gunstone, The Oily Press, 2004.
Glicéridos:
Comprenden mono-, di- y triglicéridos.
Ayudas de procesamiento:
1. Enzimas
Enzima(s) es una clase muy grande de sustancias proteicas con la capacidad de actuar como catalizadores. Comúnmente, se dividen en seis clases, y las clases principales que están en el ámbito de esta invención pueden ser transferasas que transfieren grupos funcionales o hidrolasas que hidrolizan varios enlaces. Los ejemplos típicos pueden comprender: proteasa(s), peptidasa(s), (a-)galactosidasa(s), amilasa(s), glucanasa(s), pectinasa(s), hemicelulasa(s), fitasa(s), lipasa(s), fosfolipasa(s), transferasa(s), y oxido-reductasa(s).
2. Componentes vegetales y agentes de procesamiento orgánicos
Algunas de las propiedades funcionales que son importantes en este contexto son: antioxidante, acción antibacteriana, propiedades humectantes y estimulación de la actividad enzimática.
La lista de componentes vegetales es enorme, pero los más importantes son los siguientes: romero, tomillo, orégano, flavonoides, ácidos fenólicos, saponinas, y a- y p-ácidos de lúpulo, por ejemplo, ácido a-lupúlico para la modulación de hidratos de carbono solubles.
Además, ácidos orgánicos, por ejemplo, ácido sórbico, propiónico, láctico, cítrico y ascórbico, y sus sales para el ajuste del valor de pH, conservación y propiedades quelantes es parte de este grupo de ayudas de procesamiento.
3. Agentes de procesamiento inorgánicos
Comprenden composiciones inorgánicas que pueden conservar frente a ataques bacterianos durante el procesamiento, por ejemplo, bisulfito de sodio, etc. Agentes antiaglomerantes y que mejoran el flujo en el producto final, por ejemplo, silicato de potasio y aluminio, etc.
Comprenden ácidos inorgánicos, por ejemplo, ácido clorhídrico.
Productos alimenticios procesados:
Comprenden productos lácteos, productos cárnicos procesados, dulces, postres, postres de helado, productos enlatados, comidas liofilizadas, aliños, sopas, alimentos de conveniencia, pan, tartas, etc.
Productos de pienso procesados:
Comprenden pienso animal listo para usar para animales tal como lechones, terneras, aves de corral, animales de peletería, oveja, gatos, perros, peces, y crustáceos, etc.
Productos farmacéuticos:
Comprenden productos, típicamente en forma de un comprimido o en forma granulada, que contienen uno o más ingredientes biológicamente activos que se pretende para curar y/o aliviar los síntomas de una enfermedad o una afección. Los productos farmacéuticos además comprenden excipientes y/o soportes farmacéuticamente aceptables. Los bioproductos sólidos divulgados en el presente documento son muy adecuados para uso como ingredientes farmacéuticamente aceptables en un comprimido o granulado.
Productos cosméticos:
Comprenden productos que se pretenden para la higiene personal, así como aspecto mejorado tal como acondicionadores y preparaciones para el baño.
Descripción detallada de la invención
En una primera forma de realización del método de la invención al menos el 20% en peso de la biomasa, tal como al menos el 30%, al menos el 40%, al menos el 50%, al menos el 60%, al menos el 70%, al menos el 80%, o al menos el 90% en peso, comprende materia proteinacea que se origina de copos de soja desgrasada. Los copos de soja también pueden estar descascarillados.
En una segunda forma de realización del método de la invención al menos el 20% en peso de la biomasa, tal como al menos el 30%, al menos el 40%, al menos el 50%, al menos el 60%, al menos el 70%, al menos el 80%, o al menos el 90% en peso, comprende materia proteinacea que se origina de semillas de colza desgrasada.
La biomasa puede comprender materia proteinacea que se origina de copos de soja desgrasada en una cantidad desde el 5% al 95% en peso en mezcla con materia proteinacea que se origina de semillas de colza desgrasada en una cantidad del 95% al 5% en peso opcionalmente en mezcla adicional con materia proteinacea que se origina de habas, guisantes, semillas de girasol y/o cereales en cantidades que hacen una cantidad total de la materia proteinacea del 100% en peso.
En cualquiera de las formas de realización de la invención la biomasa que comprende materia proteinacea puede además comprender oligosacáridos y/o polisacáridos y/o además comprende aceites y grasas, por ejemplo, de semillas de plantas oleaginosas.
En cualquiera de las formas de realización de la invención el producto de transformación sólido del sustrato puede ser un producto de la transformación de materia proteinacea, oligosacáridos y/o polisacáridos que se originan de dicha biomasa, tal como un producto de transformación de leguminosas, tal como soja, guisante, altramuz, girasol, y/o cereales, tal como trigo, o maíz, o de semillas de plantas oleaginosas, por ejemplo, semilla de colza.
La proporción de materia seca de la biomasa respecto a levadura viva puede ser de aproximadamente 1:1 hasta aproximadamente 10000:1, tal como de aproximadamente 2:1 hasta aproximadamente 8000, por ejemplo, 3:1, 5:1, 10:1, 15:1, 20:1, 30:1, 50:1, 70:1, 75:1, 85:1, 100:1, 200:1, 300:1, 500:1, 1000:1, 2000:1, 3000:1, 4000:1, 5000:1, o 7000:1.
En cualquiera de las formas de realización de la invención se añade agua al sustrato en una cantidad para proporcionar una proporción de densidad aparente húmeda a densidad aparente seca desde aproximadamente 0,60 a 1,45 en el sustrato, tal como desde aproximadamente 0,65 hasta aproximadamente 1,40, por ejemplo, 0,70, 0,75, 0,80, 0,85, 0,90, 0,95, 1,00, 1,10, 1,15, 1,20, 1,25, 1,30, o 1,35.
Al menos aproximadamente el 40% en peso de la biomasa, tal como al menos el 50%, al menos el 60%, al menos el 70%, al menos el 80%, o al menos el 90% en peso, puede comprender materia proteinacea que se origina de semillas de colza desgrasada, mientras se puede añadir agua al sustrato en una cantidad para proporcionar una proporción de densidad aparente húmeda a densidad aparente seca desde aproximadamente 0,65 a aproximadamente 1,10, tal como 0,75, 0,80, 0,85, 0,90, 0,95, 1,00, o 1,05.
En cualquiera de las formas de realización de la invención dicha levadura se puede seleccionar entre cepas de Saccharomyces cerevisiae, incluyendo levadura de la cerveza gastada y levadura de destilación gastada y levadura gastada de la producción de vino, levadura del pan, así como cepas de levadura que fermentan azúcares C5.
En cualquiera de las formas de realización de la invención una o más ayudas de procesamiento seleccionadas de enzimas, componentes vegetales y agentes de procesamientos orgánicos e inorgánicos se pueden añadir al sustrato antes o durante la incubación.
En cualquiera de las formas de realización de la invención el grado de llenado de dicho tanque de incubación cerrado se puede mantener constante. Esto producirá un flujo uniforme.
En cualquiera de las formas de realización de la invención se puede añadir a-galactosidasa al sustrato antes o durante la incubación, por ejemplo, una preparación de a-galactosidasa que tiene una actividad de aproximadamente 5.000 unidades de a-galactosidasa por g de producto enzimático se añade en una cantidad desde aproximadamente el 0,001% hasta aproximadamente el 1% en peso de la materia seca del sustrato, tal como una cantidad del 0,005%, 0,01%, 0,015%, 0,02%, 0,03%, 0,05%, 0,1%, 0,5%, o 0,75% en peso.
En cualquiera de las formas de realización de la invención la incubación se puede llevar a cabo en condiciones anaerobias. Las condiciones anaerobias están facilitadas por la presente invención.
En cualquiera de las formas de realización de la invención el contenido de agua en la mezcla de incubación puede ser desde el 35% al 70% en peso, tal como el 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, o 65% en peso. Por tanto, el contenido de agua en la mezcla inicial normalmente no supera el 70% en peso y puede variar desde, por ejemplo, el 40% al 65%, desde el 45% al 60%, desde el 48% al 52%, o del 50% al 55%, tal como el 49, 50, 51, 52, 53, o 54%.
La mezcla se incuba durante 1-48 horas a 20-60°C, por ejemplo, durante 1-42 horas a 20-60°C o 25-60°C o 30-50°C o 30-40°C, o durante 2-36 horas a uno de los intervalos de temperatura mencionados aquí, o durante 3-24 a uno de los intervalos de temperatura mencionados aquí, o durante 5-18 a uno de los intervalos de temperatura mencionados aquí, o durante 8-15 a uno de los intervalos de temperatura mencionados aquí, o durante 10-12 a uno de los intervalos de temperatura mencionados aquí.
En cualquiera de las formas de realización de la invención el producto de transformación sólido del sustrato se puede secar, opcionalmente seguido por molido.
La mezcla de sustratos se puede incubar a un tiempo y una temperatura suficientes para inactivar la levadura, factores antinutricionales y la(s) enzima(s) si se usa(n) parcial o totalmente, y si se desea. En general, una mayor temperatura se aplica durante un periodo más corto, mientras una temperatura menor se aplica durante un tiempo más largo para inactivar la levadura viva, los factores antinutricionales y las enzimas.
En cualquiera de las formas de realización de la invención el tanque de incubación cerrado no agitado puede ser de un tipo vertical, oblongo cilíndrico o poliédrico. La ventaja de usar este tipo es que ahorra espacio y como es no agitado se evitan los costes de operación y los costes de mantenimiento para equipo de mezclado.
En cualquiera de las formas de realización de la invención el área en la parte superior de dicho tanque de incubación cerrado no agitado puede ser menor que el área en la parte inferior, es decir, el tanque es de forma cónica. La ventaja de esto es que el efecto de deslizamiento se aumenta de modo que se pueden usar biomasas con una capacidad de flujo reducida.
En cualquiera de las formas de realización de la invención el tanque de incubación cerrado no agitado puede tener manta aislante o una chaqueta térmica con hoyuelos y medios para controlar la temperatura dentro del tanque de incubación.
Mediante el presente método el etanol se puede separar de la mezcla de sustratos por métodos convencionales, tal como vacío y/o inyección de vapor, y más del 98% en peso del etanol crudo producido se puede recuperar. El rendimiento de etanol depende del contenido de hidratos de carbono en la mezcla de incubación y la conversión a azúcares fermentables. Basado en soja desgrasada es posible generar el 4-5% en peso de etanol, mientras en trigo se puede obtener aprox. el 20% en peso.
Por tanto, el etanol crudo comprende pequeñas cantidades de subproductos resultantes de la incubación de dicha biomasa, por ejemplo, otros alcoholes y éteres.
El producto de transformación sólido del sustrato se puede secar a un contenido de agua de no más del 15%, 13%, 10%, 6%, 4%, o 2% en peso y opcionalmente está en forma molida.
El producto sólido puede ser un producto de la transformación de materia proteinacea, oligosacáridos y/o polisacáridos que se originan de dicha biomasa. El producto de transformación sólido tendrá contenido reducido de factores antinutricionales, tal como inhibidores de tripsina, antígenos, oligosacáridos productores de flatulencia, por ejemplo, estaquiosa y rafinosa; ácido fítico, y lecitinas.
El producto sólido puede comprender al menos el 40% de materia proteinacea en peso de materia seca originaria de soja.
El producto sólido puede comprender al menos el 40% de materia proteinacea en peso de materia seca originaria de semilla de colza.
El producto sólido puede comprender proteínas en una cantidad del 30-65% en peso en base a materia seca originaria de partes de soja, semilla de colza, o girasol, o mezclas de las mismas.
El producto sólido puede comprender una cantidad total de rafinosa, estaquiosa y verbascosa del 3% en peso o menos tal como el 2% o menos, el 1% o menos, el 0,5% o menos, o el 0,4% o menos.
El producto sólido puede comprender ácidos orgánicos seleccionados de ácido succínico, ácido acético y mezclas de los mismos en cantidades del 0,01% al 0,5% en peso.
Por último, el producto de transformación sólido puede estar contenido en un alimento, pienso, productos cosmético o farmacéutico o un suplemento nutricional en una cantidad del 1% al 99% en peso.
Ejemplos
Ejemplo 1:
Incubación comparativa en un tanque por lotes abierto y uno cerrado de una biomasa que comprende polisacáridos y proteínas de leguminosas
En lo siguiente se compara la incubación a presión atmosférica y presión elevada de una biomasa basada en soja.
1.1 Mezcla de sustratos:
Se mezclaron 10 kg de copos de soja descascarillados, desgrasados y desolventizados con 3 kg de una suspensión de levadura (10% de materia seca) y se añadió agua en una cantidad para alcanzar un contenido de materia seca del 51% en peso en la mezcla. La proporción de densidad aparente húmeda/densidad aparente seca de la mezcla de sustratos era 0,832.
1.2 Tanque de incubación
Un autoclave aislado de 40 litros equipado con una sonda calibradora de temperatura y presión se usó como un tanque por lotes abierto y cerrado.
El tanque se llenó con aprox. 15 kg de mezcla de sustratos y dejó abierto para la prueba a presión atmosférica, y cuando se cerró para la incubación a presión la tapa tenía una válvula con un regulador de presión ajustado para abrir a 6,0 bar.
1.3 Resultados:
La figura 1 ilustra el aumento de temperatura y presión como función del tiempo de incubación.
La figura 2 ilustra el desarrollo de temperatura durante la prueba a presión atmosférica como función del tiempo de incubación.
La reducción de oligosacáridos después de 6 horas de incubación se tabula a continuación:
De los resultados se puede deducir que es posible incubar a presión, y al mismo tiempo conseguir una reducción del contenido de oligosacáridos similar a los que se puede obtener a presión atmosférica eligiendo las condiciones de humedad correctas, es decir, la proporción de densidad aparente húmeda/densidad aparente seca.
Ejemplo 2:
Proporción de densidad aparente húmeda/densidad aparente seca para sustratos preferidos basado en varias biomasas
2.1 Biomasas usadas en el examen:
Soja
La soja usada era harina de soja desgrasada.
Maíz
El maíz usado era maíz entero, molido en un molino de martillo a través de un cedazo de 3,5 mm.
Trigo
El trigo usado era maíz trigo, molido en un molino de martillo a través de un cedazo de 3,5 mm.
Girasol
El girasol usado eran pellas de girasol desgrasadas, molidas en un mezclador.
Colza
La colza usada era harina de colza desgrasada.
Habas
Las habas usadas eran habas enteras, molidas en un mezclador.
Proteína de guisante
La proteína de guisante usada era un concentrado de proteína de guisante.
2.2 Descripción del procedimiento:
Se mezclaron la(s) cantidad(es) de biomasa y agua tabuladas a continuación durante diez minutos seguido por cincuenta minutos de equilibrio en un recipiente cerrado.
Después de esto el material se echó en un vaso medidor de 500 ml y su masa se determinó pesando el vaso y restando la tara del vaso.
La densidad aparente se calculó como masa/volumen sin compactar en kg/m3.
Se usó la densidad aparente seca como la densidad aparente medida de la biomasa sin adición de agua.
La densidad aparente húmeda era la densidad aparente de la biomasa con agua añadida.
La proporción se calculó como la densidad aparente húmeda dividida por la densidad aparente seca.
El contenido de humedad de las biomasas se determinó secando a peso constante.
Después de la adición de agua la humedad en la mezcla se determinó por cálculo.
2.3 Resultados:
Los resultados para soja al 100% y mezclas al 80% con soja se tabulan a continuación:
Los resultados para el 60% y 40% de mezclas de soja con maíz, girasol y colza, así como colza al 100% se tabulan a continuación:
Las proporciones de densidad (densidad aparente húmeda/densidad aparente seca) frente a la humedad para harina de soja y colza y sus mezclas se muestran gráficamente en la figura 3.
Ejemplo 3
Pruebas de incubación a escala de laboratorio del método del estado de la técnica frente al método de nueva tecnología
3.1 Antecedentes:
Los antecedentes para las siguientes pruebas de incubación a escala de laboratorio era imitar las condiciones del método del estado de la técnica (PAM) descrito en el documento WO 2013050456 y las condiciones en el método de la presente invención (NTM).
En el método del estado de la técnica (PAM) el CO2 generado tiene acceso libre a ser liberado a los alrededores, mientras esto es más limitado en el método de nueva tecnología (NTM) de la presente invención, es decir, la presión parcial de CO2 es mayor.
3.2 Materiales y métodos:
3.2.1 - Materiales
Biomasas: Harina de soja (SBM), harina de colza (RSM) y harina de girasol (SSM) - como se describen en la sección 2.1.
Agua: Agua del grifo normal.
Levadura: Levadura de pan de De Danske G^rfabrikker, Grená, DK.
Ayuda de procesamiento: a-galactosidasa de Bio-Cat (12.500 U/g)
Cada mezcla de incubación tenía un contenido de biomasa de 150 g de DM, cantidad variable de agua, levadura al 0,4% en peso de DM de biomasa y a-galactosidasa al 0,12% en peso de DM de biomasa.
Las composiciones de las mezclas de incubación se tabulan a continuación:
3.2.2 - Método experimental usado
Tanque de incubación:
Para el método PAM se usaron matraces Erlenmeyer medio llenos y cerrados sin apretar. Para el método NTM se usaron bolsas de plástico fuerte, apretadas a mano para eliminar aire y cerradas con correas de modo que el CO2 pudiera escapar.
Incubación:
Todas las muestras se incubaron durante 16 horas a 32°C en un baño de agua termostatizado.
La incubación se paró calentando a 100°C durante 30 minutos, excepto para las muestras para análisis de etanol donde la incubación se paró congelando.
Métodos analíticos:
Los métodos analíticos usados se referencias en los siguientes resultados individuales.
3.3 Resultados:
3.3.1 - Densidad
La determinación de la densidad aparente se realizó echando una cantidad de material (250-460 ml) en una probeta graduada de 500 ml y leyendo el volumen después de nivelar la superficie por agitación suave (sin golpear) la probeta. Después de esto, se determinó el peso del material.
Los cálculos se hicieron como se describe en la sección 2.2.
Los resultados se tabulan a continuación:
Comentarios:
De los resultados, se advierte que después de la incubación por el método PAM la densidad aparente se reduce y con el método NTM la densidad aumenta.
Para ensayar la influencia de apretar las bolsas, cuatro sustratos diferentes se trataron sin incubación. Los resultados para las cuatro medidas fueron un aumento máximo de 60 kg/m3 y un valor medio de 33,5 kg/m3. Por consiguiente, el aumento de densidad es un hecho obvio.
3.2.3 Contenido de proteína
El contenido de proteína crudo se determinó según el método Dumas, usando 6,25 como factor de conversión. Los resultados se tabulan a continuación:
Se analizó el contenido de etanol por Eurofins según su método con código interno - RTTEF. Los resultados se tabulan a continuación:
Comentarios:
De la clasificación del EtOH formado en el grupo de biomasa, se muestra que el método NTM produce más alcohol detectado que el método PAM.
3.3.4 Oligosacáridos
El contenido de estaquiosa y rafinosa se determinó por cromatografía de capa fina. Fase estacionaria - gel de sílice 60 (Merck 1.05553.0001).
Fase móvil - 120 ml de n-butanol, 80 ml de piridina, y 60 ml de agua desmineralizada. Las manchas se visualizan con un líquido compuesto de 8 g de difenilamina, 335 ml de acetona, 8 ml de anilina, y 60 ml de ácido fosfórico.
Las concentraciones de azúcar se determinaron por comparación con estándares conocidos.
Los resultados se tabulan a continuación:
Comentarios:
Los métodos rendieron igualmente bien, y a un contenido de humedad mayor del 45% la reducción de los oligosacáridos medidos fue el 100%.
3.3.5 Ácidos orgánicos
Se analizaron el contenido de ácido succínico y acético por Eurofins según su método con código interno - HEG12 Los resultados se tabulan a continuación:
Comentarios:
De la clasificación en el grupo de biomasa, se muestra que el método PAM produce más ácido succínico y acético que el método NTM.
3.4 Conclusiones:
En base a los resultados obtenidos se puede ver que el método NTM produce un producto de transformación sólido con ligeramente menos proteína y menos ácido succínico y acético que el producto basado en el método PAM. Al mismo tiempo el contenido de alcohol en la mezcla de incubación resultante del método NTM es mayor.
Ejemplo 4
Incubación en un incubador vertical continuo de una biomasa que comprende polisacáridos y proteínas de leguminosas
A continuación se ilustra la incubación en un incubador vertical, cerrado y no agitado de una biomasa basada en soja desgrasada.
4.1 Mezcla de incubación:
Se preparó una mezcla de copos de soja descascarillada, desgrasada y desolventizada y una suspensión de levadura y agua de forma continua en cantidades para alcanzar un contenido de materia seca del 45% en peso en la mezcla.
La mezcla de incubación tenía un contenido del 3,5% en peso de levadura basado en la materia seca total. La proporción densidad aparente húmeda/densidad aparente seca de la mezcla de incubación era 0,895.
4.2 Incubador:
El incubador piloto usado era un tubo de acero inoxidable oblongo cilíndrico aislado con un diámetro interno de 1,55 m y una altura total de 4,75 m. En la parte superior, había un haz de tres monitores de nivel de tipo pala giratoria para regular el sistema de entrada y distribución a un nivel a 4,25 m. Esto da al incubador un volumen de operación efectivo de 8 m3. Además, el incubador estaba equipado con una sonda de temperatura en la entrada, así como en la salida.
4.3 Procedimiento de prueba:
El incubador se llenó con la muestra de incubación a la velocidad de 1000 litros por hora. Después de ocho horas el incubador se llenó al nivel de operación y los medios de salida se ajustaron a una velocidad para mantener el nivel de llenado constante.
Se tomó una alícuota de volumen de aprox. 30 litros después de 10 horas de una carrera de prueba y se incubó a 100°C con vapor vivo durante 25 min y el vapor sobrante que comprende etanol crudo se transfirió a un intercambiador de calor refrigerante.
Posteriormente, el producto de transformación sólido húmedo de la biomasa se secó rápidamente y se molió.
Los parámetros de incubación globales fueron los siguientes:
Tiempo de incubación - 8 horas
Temperatura de entrada - 25,2°C
Temperatura de salida - 32,3°C
4.4 Resultados:
El contenido de etanol crudo separado correspondía a un rendimiento de 4,7 kg por 100 kg de biomasa. El producto de transformación sólido de la biomasa tenía un contenido de proteína cruda total (N x 6,25) del 58,3%. El contenido de agua del producto seco era el 5,4% en peso. Además, los factores antinutricionales en el producto de transformación sólido seco estaban significativamente reducidos:
El producto de transformación sólido es muy nutritivo y sabroso y por tanto adecuado como un ingrediente en un número de productos alimenticios y de pienso o suplementos nutricionales. Además, se puede usar como un excipiente en productos farmacéuticos y en cosméticos, por ejemplo, formulaciones de baño.
Ejemplo 5
Incubación en un incubador vertical continuo de una biomasa que comprende polisacáridos y proteínas de leguminosas y cereales
A continuación se ilustra la incubación en un incubador vertical, cerrado y no agitado de una biomasa basada en una mezcla de soja desgrasada y trigo.
5.1 Mezcla de incubación:
Se preparó una mezcla que contenía el 10% en peso de materia seca de trigo aplastado y el 90% en peso de materia seca de copos de soja descascarillada, desgrasada y desolventizada y una suspensión de levadura, enzimas y agua de forma continua en cantidades para alcanzar un contenido de materia seca del 40% en peso en la mezcla. La mezcla de incubación tenía un contenido del 3% en peso de levadura basado en la materia seca total y el 0,4% en peso basado en materia seca de trigo de Viscozyme Wheat, Spirizyme Fuel y Liquozyme todas de Novozymes.
La proporción densidad aparente húmeda/densidad aparente seca de la mezcla de incubación era 0,984.
5.2 Incubador:
El incubador era como se ha descrito en el ejemplo 4.
5.3 Procedimiento de prueba:
El procedimiento de prueba fue como se ha descrito en el ejemplo 4 excepto que en este proceso el medio de entrada se ajustó para correr a una velocidad de volumen de 500 litros/h.
Los parámetros de incubación globales fueron los siguientes:
Tiempo de incubación - 16 horas
Temperatura de entrada - 25,1°C
Temperatura de salida - 33,1°C
5.4 Resultados:
El contenido de etanol crudo separado correspondía a un rendimiento de 8,4 kg por 100 kg de biomasa. El producto de transformación sólido de la biomasa tenía un contenido de proteína cruda total (N x 6,25) del 59,4% y un contenido de agua del 6,2% en peso.
Claims (17)
1. Un método para la producción simultánea de un producto de transformación sólido del sustrato y etanol crudo que comprende las siguientes etapas:
• preparar un sustrato de biomasa molida o en copos que comprende materia proteinacea que se origina de soja, semilla de colza, o mezclas de las mismas, opcionalmente en mezcla adicional con materia proteinacea que se origina de habas, guisantes, semillas de girasol, altramuz, cereales y/o hierbas, • mezclar dicho sustrato con levadura viva en una proporción de materia seca desde 1:1 a 10.000:1 y añadir agua en una cantidad que proporciona un contenido de agua desde el 35% al 70% en peso y una proporción de densidad aparente húmeda respecto a densidad aparente seca desde 0,60 a 1,45 en la mezcla resultante;
• incubar dicha mezcla durante 1-48 horas a una temperatura de aproximadamente 20-60°C; y
• separar el etanol crudo y el producto de transformación sólido húmedo de dicha mezcla;
que además comprende que dicha incubación se realice como un proceso de flujo de pistón en un tanque de incubación cerrado vertical no agitado con medios de entrada para dicha mezcla y aditivos y medios de salida para dicho producto de transformación sólido y etanol crudo.
2. Método según la reivindicación 1, en donde al menos el 20% en peso, tal como al menos el 30%, al menos el 40%, al menos el 50%, al menos el 60%, al menos el 70%, al menos el 80%, o al menos el 90% en peso, de dicha biomasa comprende materia proteinacea que se origina de copos de soja desgrasada.
3. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde al menos el 20% en peso, tal como al menos el 30%, al menos el 40%, al menos el 50%, al menos el 60%, al menos el 70%, al menos el 80%, o al menos el 90% en peso, de dicha biomasa comprende materia proteinacea que se origina de semillas de colza desgrasada.
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha biomasa que comprende materia proteinacea además comprende oligosacáridos y/o polisacáridos y/o además comprende aceites y grasas, por ejemplo, de semillas de plantas oleaginosas.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho producto de transformación sólido del sustrato es un producto de la transformación de materia proteinacea, oligosacáridos y/o polisacáridos originarios de dicha biomasa.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la proporción de materia seca de la biomasa respecto a la levadura es desde 2:1 a 5000:1, tal como 3:1, 5:1, 10:1, 15:1,20:1, 30:1, 50:1, 70:1, 75:1, 85:1, 100:1,200:1, 300:1, 500:1, 1000:1, 2000:1, 3000:1, o 4000:1.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el agua se añade a dicho sustrato en una cantidad para proporcionar una proporción de densidad aparente húmeda respecto a densidad aparente seca desde 0,65 a 1,40 en el sustrato, tal como 0,70, 0,75, 0,80, 0,85, 0,90, 0,95, 1,00, 1,10, 1,15, 1,20, 1,25, 1,30, o 1,35.
8. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 3, en donde el agua se añade a dicho sustrato en una cantidad para proporcionar una proporción de densidad aparente húmeda respecto a densidad aparente seca desde 0,65 a 1,05 en el sustrato, tal como de 0,75 a 1,00, por ejemplo, 0,80, 0,85, 0,90, o 0,95.
9. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha levadura se selecciona entre cepas de Saccharomyces cerevisiae, incluyendo levadura de la cerveza gastada y levadura de destilación gastada, levadura del pan, y levadura gastada de la producción de vino, así como cepas de levadura que fermentan azúcares C5.
10. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde una o más ayudas de procesamiento seleccionadas de enzimas, componentes vegetales y agentes de procesamiento orgánicos e inorgánicos se añaden al sustrato antes o durante dicha incubación.
11. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el grado de llenado de dicho tanque de incubación cerrado se mantiene constante.
12. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde se añade a-galactosidasa al sustrato antes o durante dicha incubación.
13. Método según la reivindicación 12, en donde una preparación de a-galactosidasa que tiene una actividad de aproximadamente 5.000 unidades de a-galactosidasa por g de producto enzima se añade al sustrato en una
cantidad desde aproximadamente el 0,001% hasta aproximadamente el 1% en peso de la materia seca del sustrato, tal como una cantidad del 0,005%, 0,01%, 0,015%, 0,02%, 0,03%, 0,05%, 0,1%, 0,5%, o 0,75% en peso.
14. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha incubación se lleva a cabo en condiciones anaerobias.
15. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el contenido de agua en dicha mezcla es desde el 40% al 70% en peso, tal como el 45%, 50%, 55%, 60%, o 65% en peso.
16. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el producto de transformación sólido del sustrato se seca, y opcionalmente se muele.
17. Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho tanque de incubación cerrado, no agitado es un tipo vertical, oblongo cilíndrico o poliédrico, y/o donde el área en la parte superior de dicho tanque de incubación cerrado no agitado es menor que el área en la parte inferior, es decir, el tanque tiene forma cónica, y/o donde dicho tanque de incubación cerrado no agitado tiene manta de aislamiento o una chaqueta térmica con hoyuelos y medios para controlar la temperatura en el tanque.
Método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde al menos el 90%, tal como al menos el 95%, por ejemplo, al menos el 98% o el 99% en peso, de dicho etanol crudo producido se recupera.
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