ES2934344T3 - Método para la producción simultánea de etanol y un producto sólido fermentado - Google Patents

Método para la producción simultánea de etanol y un producto sólido fermentado Download PDF

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Abstract

La invención se refiere a un método para la producción simultánea de un producto sólido fermentado y etanol que comprende los siguientes pasos: 1) proporcionar una mezcla de biomasa molida, en copos o desintegrada de otro modo, que comprende oligosacáridos y/o polisacáridos y levadura viva en una materia seca proporción de 2:1 a 100:1, y agua; 2) fermentar la mezcla resultante del paso (1) en condiciones en las que el contenido de agua en la mezcla inicial no supere el 65 % en peso, durante 1-36 horas a una temperatura de aproximadamente 25-60°C en condiciones anaeróbicas; 3) incubar la mezcla fermentada resultante del paso (2) durante 0,5-240 minutos a una temperatura de aproximadamente 70-150°C; y 4) separar el producto sólido fermentado húmedo de la mezcla fermentada resultante del paso (3); que comprende además a) que la fermentación en el paso (2) se realiza en uno o más transportadores de tornillo sin fin o de paleta interconectados con medios de entrada para la mezcla de fermentación y aditivos y medios de salida para el fermento, así como medios de control para la velocidad de rotación, temperatura y pH, o b) que se agregan uno o más coadyuvantes de procesamiento en cualquiera de los pasos (1), (2) y (3) y que comprende además un paso de 5) separar el etanol crudo de la mezcla fermentada en el paso (2) por vacío y/o en el paso (3) por vacío o por inyección de vapor y condensación del exceso de vapor de stripping. La invención se refiere además a los productos de este método así como a sus usos. (2) y (3) y que además comprende un paso de 5) separar el etanol crudo de la mezcla fermentada en el paso (2) al vacío y/o en el paso (3) al vacío o por inyección de vapor y condensar el exceso de vapor de extracción . La invención se refiere además a los productos de este método así como a sus usos. (2) y (3) y que además comprende un paso de 5) separar el etanol crudo de la mezcla fermentada en el paso (2) al vacío y/o en el paso (3) al vacío o por inyección de vapor y condensar el exceso de vapor de extracción . 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
Método para la producción simultánea de etanol y un producto sólido fermentado
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para la producción simultánea de un producto sólido fermentado y etanol.
Además se refiere a los productos que se pueden obtener por el método y también al uso de los productos obtenidos.
Antecedentes de la invención
Existe una necesidad de desarrollar fuentes de energía sustentables, y el bio etanol es una fuente atractiva como combustible para el transporte. Por lo tanto, existe una necesidad de un proceso que pueda producir bio etanol a bajo costo. También existe una necesidad de proporcionar fuentes alternativas de proteína para alimentos para seres humanos y piensos para animales.
La capacidad de la levadura para convertir azúcares simples en etanol es bien conocida. El proceso de conversión frecuentemente se efectúa moliendo una materia prima que contiene almidón, y convirtiendo el almidón en azúcares fermentables por hidrólisis enzimática o ácida. Después de esto, se añade levadura para fermentar las azúcares a alcohol y dióxido de carbono.
Este proceso habitualmente se efectúa con un bajo contenido de materia seca en un proceso por lotes, por lote alimentado ("fed-batch") o continuo con un contenido de agua de 90% o más. Se ha informado que en la producción de bio etanol de segunda generación, la materia seca en el caldo de fermentación es de hasta aproximadamente 20%. Después de la fermentación, el alcohol es extraído por destilación.
Desde un punto de vista económico, el alto contenido de agua en el proceso es indeseable por las siguientes razones: altos costos de procesamiento y altos costos de inversión debido al gran volumen de los recipientes de reacción.
La patente WO 2005/069840 A2 divulga un proceso para producir un producto de fermentación, tal como etanol, a partir de un material molido que contiene almidón, que comprende sacarificar el material molido que contiene almidón con una glucoamilasa especialmente derivada sin gelatinización de dicho material que contiene almidón, y fermentar usando un microorganismo fermentador.
La patente WO 2006/102907 A1 divulga un método para preparar un producto de proteína fermentado derivado de levadura y partes de legumbres proteínicas, fermentando bajo condiciones anaeróbicas con un contenido de agua que no excede el 80%, e incubando la mezcla fermentada en un sistema cerrado.
La patente WO 2004/113490 A3 divulga un método para el cultivo en fase sólida selectivo y dirigido de poblaciones microbianas mezcladas estables para la preparación continua de mezclas definidas de enzimas y metabolitos, y un biorreactor adecuado para el mismo.
La patente WO 2006/129320 A2 divulga un método para producir un concentrado de proteína a partir de granos que contienen almidón, cuyo método comprende fermentación y donde el producto de la fermentación puede ser etanol.
La patente WO 2006/113683 A2 divulga un método para la producción de etanol y un pienso para animal modificado, por sacarificación y fermentación.
La patente WO 2006/056838 A1 divulga un proceso para la licuefacción y sacarificación de biomasas que contienen polisacáridos con un contenido de materia seca de más de 20%, cuyo método comprende hidrólisis enzimática combinada con mezclado mediante un tipo de mezclado basado en la gravedad que proporciona procesamiento mecánico. La biomasa procesada resultante del proceso puede ser utilizada posteriormente para la producción de etanol en un proceso de fermentación subsiguiente.
La patente WO 2007/036795 A1 divulga un proceso para la producción de productos de fermentación, incluyendo bio etanol, mediante pretratamiento, hidrólisis enzimática y fermentación de fracciones de desecho que contienen monoy/o polisacáridos, teniendo un contenido de materia seca de más de 20% y usando un mezclado por caída libre para el procesamiento mecánico de la fracción de desecho y fermentación subsiguiente.
Un fermentador para procesar una materia prima y un método de operación para el mismo se divulgan en la patente europea EP 1355533 B1; el fermentador divulgado es para el procesamiento continuo de una mezcla de producto, particularmente una masa, o una mezcla de agua y productos de cereales molidos. Un reactor vertical para fermentación continua que utiliza un tornillo de Arquímedes se divulga en la patente británica GB 2049457 A.
El objetivo de la presente invención es proporcionar un método mejorado para la producción de bio etanol que permite la producción simultánea de un producto sólido fermentado valioso, donde el contenido de agua durante el proceso es bajo.
Otro objetivo es proporcionar un proceso que pueda efectuarse a bajos costos debido al bajo contenido de agua y a los equipos de baja inversión, y así también proporcionar los productos a costos más bajos.
Otro objetivo es proporcionar un producto sólido fermentado de alto valor comercial.
Estos objetivos se cumplen con el proceso y los productos de la presente invención.
Resumen de la invención
En consecuencia en un aspecto, la presente invención se refiere a un método para la producción simultánea de un producto sólido fermentado y etanol, que comprende los siguientes pasos:
1) proporcionar una mezcla de una biomasa molida o en hojuelas o desintegrada de otra manera, que comprende oligosacáridos y/o polisacáridos, y levadura viva en una razón en materia seca de 2:1 a 100:1, y agua; 2) fermentar la mezcla resultante del paso (1) bajo condiciones en que el contenido de agua en la mezcla inicial no excede el 65% en peso, por 1-36 horas a una temperatura de alrededor de 25-60°C bajo condiciones anaeróbicas; 3) incubar la mezcla fermentada resultante del paso (2) por 0,5-240 minutos a una temperatura de alrededor de 70-150°C; y
4) separar el producto sólido fermentado húmedo de la mezcla fermentada resultante del paso (3);
que además comprende que la fermentación en el paso (2) se efectúa en uno o más transportadores de tornillo sin fin con paletas o de tornillo sin fin continuo interconectados, opcionalmente dispuestos en forma no vertical, con medios de entrada para la mezcla de fermentación y los aditivos y medios de salida para el material fermentado, y también medios de control para la velocidad de rotación, la temperatura y el pH, y que además comprende un paso de: 5) separar el etanol crudo de la mezcla fermentada en el paso (2) mediante vacío y/o en el paso (3) mediante vacío o mediante inyección de vapor de agua y condensando el exceso de vapor de arrastre.
En un segundo aspecto, la invención se refiere a un método para la producción simultánea de un producto sólido fermentado y etanol, que comprende los siguientes pasos:
1) proporcionar una mezcla de una biomasa molida o en hojuelas o desintegrada de otra manera, que comprende oligosacáridos y/o polisacáridos, y levadura viva en una razón en materia seca de 2:1 a 100:1, y agua; 2) fermentar la mezcla resultante del paso (1) bajo condiciones en que el contenido de agua en la mezcla inicial no excede el 65% en peso, por 1-36 horas a una temperatura de alrededor de 25-60°C bajo condiciones anaeróbicas; 3) incubar la mezcla fermentada resultante del paso (2) por 0,5-240 minutos a una temperatura de alrededor de 70-150°C; y
4) separar el producto sólido fermentado húmedo de la mezcla fermentada resultante del paso (3);
que además comprende que uno o más ayudantes del procesamiento son añadidos en cualquiera de los pasos (1), (2) y (3), y que además comprende un paso de:
5) separar el etanol crudo de la mezcla fermentada en el paso (2) mediante vacío y/o en el paso (3) mediante vacío o mediante inyección de vapor de agua y condensando el exceso de vapor de arrastre.
Es sorprendente que mediante la combinación de acuerdo con el primer aspecto de la invención de dos medidas especiales en el método, a saber en primer lugar, llevar a cabo el paso de fermentación (2) en uno o más transportadores de tornillo sin fin con paletas o de tornillo sin fin continuo interconectados y, en segundo lugar, separar el etanol crudo de la mezcla de fermentación ya en el paso (2) mediante vacío y/o en el paso (3) mediante vacío o mediante inyección de vapor de agua y condensando el exceso de vapor de arrastre, es posible efectuar el método para producir etanol con un contenido de materia seca sustancialmente más alto que en los métodos del arte previo, y simultáneamente producir un producto biológico sólido fermentado valioso.
También es sorprendente que aplicando el segundo aspecto de la invención de, en primer lugar, añadir uno o más ayudantes del procesamiento tales como una o más enzimas o uno o más componentes a base de plantas, y en segundo lugar, separar el etanol crudo de la mezcla de fermentación ya en el paso (2) mediante vacío y/o en el paso (3) mediante vacío o mediante inyección de vapor de agua y condensando el exceso de vapor de arrastre, igualmente es posible efectuar el método para producir etanol con un contenido de materia seca sustancialmente más alto que en los métodos del arte previo, y simultáneamente producir un producto biológico sólido fermentado valioso.
Normalmente cuando se disminuye el contenido de agua, y por lo tanto el contenido de materia seca de la mezcla que será fermentada es alto, la mezcla de fermentación tiende a compactarse de manera tal que el comportamiento de transporte es afectado negativamente, y a un determinado contenido de agua, la mezcla se compacta en un grado tal que el transporte se detiene.
El contenido de agua puede disminuirse adicionalmente a 60%, 55%, 50% o 45% o incluso a 40% sin afectar seriamente la conversión de oligosacáridos a azúcares fermentables ni la fermentación subsiguiente de esas azúcares. La producción de la misma cantidad de alcohol en una cantidad reducida de agua lleva a una concentración más alta de alcohol en el producto.
El método de la invención, en su primer aspecto, hace uso de un fermentador especial construido de manera tal que, además del transporte, los transportadores también proporcionan mezclado y elevación del material. Esto hace posible efectuar la fermentación en una mezcla donde el contenido de agua inicialmente no excede el 65% en peso, o sea la mezcla de fermentación tiene un contenido de materia seca de 35% en peso o más en la mezcla de fermentación inicial al comienzo del proceso, en tanto que el contenido de materia seca en métodos similares del arte previo es de alrededor de 20% o más bajo. Debido al bajo contenido de agua y la posibilidad de separar el etanol crudo en una etapa temprana del proceso, el proceso puede efectuarse con costos más bajos que los métodos del arte previo. El método de la invención, en su segundo aspecto, en una modalidad también hace uso de dicho fermentador especial.
En una modalidad de la invención, dicho transportador de tornillo sin fin continuo es un tipo opcionalmente modificado de un tornillo de Arquímedes de una paleta o de múltiples paletas o tornillo intersectado, destinado a transportar la mezcla de fermentación y al mismo tiempo elevar el material de manera que sea transportado y agitado sin compactarlo, y en un aspecto, no es vertical.
En otra modalidad de la invención, dicho fermentador especial es una mezcladora de tornillo vertical, por ejemplo una mezcladora Nauta.
Normalmente, más del 90% en peso del etanol producido puede ser extraído. El rendimiento de etanol es dependiente del contenido de carbohidratos en la mezcla de fermentación y la conversión en azúcares fermentables. En base a soya desgrasada, es posible generar 4-5% en peso de etanol, en tanto que en base a trigo, puede obtenerse aproximadamente 20% en peso.
La invención proporciona además un etanol crudo que puede obtenerse por un proceso de acuerdo con la invención y que además comprende pequeñas cantidades de componentes resultantes de la biomasa fermentada, por ejemplo 0,01-1% de otros alcoholes y éteres, tales como acetato de etilo, 3-metil-1-butanol y/o 2-metil-1-butanol, y un producto sólido fermentado que puede obtenerse por un proceso de acuerdo con la invención y que comprende proteínas, carbohidratos y opcionalmente fibras dietarias y/o sales resultantes de la biomasa fermentada, donde la proteína de levadura está comprendida en una cantidad de 1-95% en peso en base a materia seca, y el carbohidrato está comprendido en una cantidad de 5-99% en peso en base a materia seca.
Definiciones
En el contexto de la presente invención, se pretende que los siguientes términos comprendan lo siguiente, a menos que estén definidos en alguna otra parte de la descripción.
Los términos "alrededor de", "aproximadamente" o "~" están destinados a indicar, por ejemplo, la incertidumbre de la medición que comúnmente ocurre en la técnica, que puede ser del orden de magnitud por ejemplo de /- 1, 2, 5, 10, 20 o incluso 50%.
El término "que comprende" debe interpretarse como que especifica la presencia de la o las partes, pasos, características, composiciones, compuestos químicos o componentes declarados, pero no excluye la presencia de una o más partes, pasos, características, composiciones, compuestos químicos o componentes adicionales. Por ejemplo, una composición que comprende un compuesto químico puede por lo tanto comprender compuestos químicos adicionales, etc.
Biomasa:
Comprende material biológico que puede usarse para combustible o como una materia prima en producción industrial.
En este contexto, biomasa se refiere a un material vegetal en la forma de tallo, rama pequeña, hoja, flor, fruto, semilla, etc.
Desintegrado de otra manera:
Significa desintegrado por cocción a presión ácida o alcalina o tratamiento ultrasónico.
Oligosacáridos y polisacáridos:
Un oligosacárido es un polímero de sacárido que contiene un pequeño número de azúcares monoméricas componentes, también conocidas como azúcares simples.
Los polisacáridos son polímeros de sacáridos que contienen un gran número de azúcares monoméricas componentes, y también se conocen como carbohidratos complejosLos ejemplos incluyen polisacáridos de almacenamiento tal como almidón y polisacáridos estructurales tal como celulosa.
Carbohidratos:
Comprenden mono-, di-, oligo- y polisacáridos.
Materiales proteicos:
Comprenden compuestos orgánicos hechos de amino ácidos dispuestos en una cadena lineal y unidos entre sí por un enlace llamado enlace peptídico. Con una longitud de cadena de hasta aproximadamente 50 amino ácidos, el compuesto se denomina péptido, y con un peso molecular más alto, el compuesto orgánico se denomina polipéptido o proteína.
Grasas:
Comprenden ésteres entre ácidos grasos y glicerol. Una molécula de glicerol puede ser esterificada con una, dos y tres moléculas de ácido graso, dando como resultado un monoglicérido, un diglicérido o un triglicérido, respectivamente. Habitualmente, las grasas están constituidas principalmente por triglicéridos y cantidades minoritarias de lecitinas, esteroles, etc. Si la grasa es líquida a temperatura ambiente, normalmente se denomina 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, y también "Lipid Glossary 2", F.D. Gunstone, The Oily Press, 2004.
Glicéridos:
Comprenden mono-, di- y triglicéridos.
Ayudantes del procesamiento:
1. Enzimas
Las enzimas son una clase muy amplia de sustancias proteicas que actúan como catalizadores. Comúnmente se dividen en seis clases, y las principales clases que caen dentro del ámbito de esta invención pueden ser las transferasas que transfieren grupos funcionales y las hidrolasas que hidrolizan diversos 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) y óxido-reductasa(s).
2. Componentes de plantas y agentes de procesamiento orgánicos
Algunas de las propiedades funcionales que son importantes en este contexto son: acción antioxidante, acción antibacteriana, propiedades humectantes y estimulación de enzimas.
La lista de componentes a base de plantas es enorme, pero los más importantes son los siguientes: romero, tomillo, orégano, flavonoides, ácidos fenólicos, saponinas y a- y p- ácidos de lúpulo para la modulación de los carbohidratos solubles, por ejemplo ácido a-lupúlico.
Además, ácidos orgánicos por ejemplo ácido sórbico, propiónico, láctico, cítrico y ascórbico y sus sales para el ajuste del valor del pH, preservación y propiedades quelantes, son parte de este grupo de ayudantes del procesamiento. Otro miembro de este grupo son los lípidos para la modulación de la tolerancia al etanol de la levadura, por ejemplo colesterol, aceites y fracciones de oleína de grasas vegetales que tienen alto contenido de ácidos grasos C18-insaturados.
3. Agentes de procesamiento inorgánicos
Comprenden composiciones inorgánicas que son capaces de preservar la mezcla de fermentación contra el ataque bacteriano durante el procesamiento, por ejemplo bisulfito de sodio, etc. Agentes antiaglomerantes y mejoradores del flujo en el producto final, por ejemplo silicato de potasio y aluminio, etc.
Productos alimenticios procesados:
Comprenden productos lácteos, productos de carne procesados, dulces, postres, postres de helado, productos enlatados, comidas secadas por congelación, aderezos, sopas, platos preparados, pan, tortas, etc.
Productos de piensos procesados:
Comprenden piensos listos para usar para animales tales como lechones, terneros, aves de corral, animales con pelo, ovejas, gatos, perros, peces y crustáceos, etc.
Productos farmacéuticos:
Comprenden productos, típicamente en la forma de una tableta o en forma granulada, que contienen uno o más ingredientes biológicamente activos destinados a curar y/o aliviar los síntomas de una enfermedad o una condición. Los productos farmacéuticos además comprenden excipientes y/o vehículos farmacéuticamente aceptables. Los bio productos sólidos divulgados aquí son bien adecuados para el uso como un ingrediente farmacéuticamente aceptable en una tableta o granulado.
Productos cosméticos:
Comprenden productos destinados a la higiene personal y también a una apariencia mejorada tales como acondicionadores y preparaciones para el baño.
Descripción detallada de la invención
En una modalidad del método de la invención en su primer aspecto, uno o más ayudantes del procesamiento son añadidos en cualquiera de los pasos (1), (2) y (3).
En una modalidad del método de la invención en su segundo aspecto, la fermentación en el paso (2) se efectúa en uno o más transportadores de tornillo sin fin con paletas o de tornillo sin fin continuo interconectados, opcionalmente dispuestos verticalmente, con medios de entrada para la mezcla de fermentación y los aditivos y medios de salida para el material fermentado, y también medios de control para la velocidad de rotación, la temperatura y el pH, y/o además comprende un paso (5) de separar el etanol crudo de la mezcla fermentada en el paso (2) mediante vacío y/o en el paso (3) mediante vacío o mediante inyección de vapor de agua y condensando el exceso de vapor de arrastre.
En una modalidad, los métodos de la invención además comprenden un paso (2a) de fermentar la mezcla resultante del paso (2) por 1-36 horas a una temperatura de alrededor de 25-60°C bajo condiciones aeróbicas, y opcionalmente separar el etanol crudo de la mezcla fermentada en el paso (2a) mediante vacío.
En otra modalidad, el paso (3) se efectúa a una temperatura de alrededor de 70-120°C. Generalmente, en el paso de incubación (3) se usa una temperatura alta por un tiempo corto, y se usan temperaturas más bajas para tiempos de incubación más largos.
El contenido de materia seca puede variar de 35 a 70% en peso de la mezcla del paso (1), por ejemplo de 40 a 65% o de 45 a 60% o de 50 a 55%.
En modalidades de ambos aspectos del método de la invención, el al menos un ayudante del procesamiento añadido en cualquiera de los pasos (1), (2), (2a) y (3) es una o más enzimas, y un proceso de sacarificación enzimática que convierte los oligo- y/o polisacáridos en carbohidratos fermentables tiene lugar simultáneamente con la fermentación de la levadura. La(s) enzima(s) puede(n) seleccionarse del grupo consistente en proteasa(s), peptidasa(s), galactosidasa(s), amilasa(s), pectinasa(s), celulasa(s), hemicelulasa(s), glucanasa(s), glucosidasa(s), fitasa(s), lipasa(s), oxido-reductasa(s) y fosfolipasa(s).
Se ha encontrado que esta modalidad es muy ventajosa desde el punto de vista de la inversión y también con el objeto de acortar el tiempo de reacción. Así, fermentando continuamente las azúcares fermentables liberadas, se evita la represión de catabolitos y el equilibrio del balance de masa se desplaza hacia la derecha. Esto es de particular importancia cuando se opera con el alto contenido de materia seca de acuerdo con la invención.
En otras modalidades de ambos aspectos del método de la invención, el al menos un ayudante del procesamiento es uno o más componentes a base de plantas, tal como un componente seleccionado entre romero, tomillo, orégano, flavonoides, ácidos fenólicos, saponinas y a- y p-ácidos de lúpulo para la modulación de los carbohidratos solubles, por ejemplo ácido a-lupúlico.
La levadura que será usada en el método de la invención puede ser seleccionada, por ejemplo, entre cepas de Saccharomyces cerevisiae, incluyendo levadura de cervecero agotada, levadura de destilador agotada y levadura agotada de la producción de vino, y también cepas de levadura que fermentan azúcares C5. Las azúcares C5 son azúcares a base de pentosa, tales como xilosa y arabinosa.
En otra modalidad, la biomasa que comprende oligosacáridos y/o polisacáridos además comprende proteínas que se originan de partes de plantas proteínicas, por ejemplo legumbres tales como soya, arveja, lupino y/o cereales tal como trigo. Un ejemplo de una biomasa adecuada es soya desgrasada molida o en hojuelas. Una biomasa adecuada también puede ser cereales molidos o en hojuelas, por ejemplo trigo. Más aún, mezclas de partes de legumbres y cereales son biomasas adecuadas para ser procesadas por el método.
La biomasa que comprende oligosacáridos y/o polisacáridos y opcionalmente proteínas puede comprender además aceites y grasas, por ejemplo provenientes de semillas de plantas que contienen aceite, por ejemplo semilla de colza. Un ejemplo de una biomasa adecuada es soya o colza con toda su grasa molida o en hojuelas o mezclas de las mismas.
La separación del producto fermentado y el etanol en los pasos (4) y (5) puede efectuarse por operaciones unitarias estándar que comprenden por ejemplo arrastre con vapor de agua, evaporación, condensación, destilación, filtración, centrifugación y sedimentación.
En otras modalidades, los compuestos separados pueden ser sometidos a tratamientos especiales que comprenden por ejemplo purificación, secado, molienda y mezcla con otros ingredientes. Todas las operaciones unitarias que pueden usarse para esto, y también para la separación en los pasos (4) y (5), son bien conocidas para una persona experta en el arte.
Posteriormente, el producto sólido fermentado separado puede hacerse más soluble en agua por hidrólisis, por ejemplo mediante enzimas.
El método de la invención puede efectuarse por ejemplo como un proceso por lotes, por lote alimentado ("fed-batch") o continuo.
Finalmente, el etanol producido por el proceso de la invención puede usarse para generar calor para el proceso, por ejemplo por combustión catalítica, y así al mismo tiempo deshacerse de compuestos orgánicos volátiles contaminantes, por ejemplo hexano. En este caso, los subproductos generados serán dióxido de carbono y agua.
En una modalidad, el producto sólido fermentado de la invención comprende proteína en una cantidad de 25-90% en peso en base a materia seca, y glicérido en una cantidad de 0-30% en peso en base a materia seca. Alrededor del 1-35% relativo de dicha proteína puede originarse de proteína de levadura y alrededor del 65-99% relativo de dicha proteína puede originarse de partes de plantas proteínicas, por ejemplo de legumbres y/o cereales tales como soya y/o trigo.
En otra modalidad, el producto sólido fermentado es derivado de una biomasa que comprende predominantemente oligosacáridos y/o polisacáridos, y comprende proteína de levadura en una cantidad de 1-95% en peso en base a materia seca y carbohidrato en una cantidad de 5-99% en peso en base a materia seca.
El etanol crudo que puede obtenerse de acuerdo con la invención puede usarse para la generación de calor para el proceso de fermentación.
La invención también se refiere al uso de un producto sólido fermentado de acuerdo con la invención en un producto alimenticio procesado para consumo humano y/o animal; como un ingrediente para ser usado en un producto alimenticio o un pienso; o como un ingrediente de un producto cosmético o farmacéutico o un suplemento nutritivo.
Finalmente, la invención se refiere a un alimento, un pienso, un producto cosmético o farmacéutico o un suplemento nutritivo que contiene de 1 a 99% en peso de un producto sólido fermentado de acuerdo con la invención.
Ejemplos
Ejemplo 1
Fermentación en un proceso continuo de una biomasa que comprendía polisacáridos y proteínas proveniente de legumbres
A continuación se ilustra la fermentación de una biomasa a base de soya desgrasada.
100 kg por hora de hojuelas de soya descascarada y desgrasada y sometida a desolventización flash, fueron alimentados continuamente a un transportador de tornillo sin fin con una sola paleta cerrado, capaz de transportar, elevar y mezclar el material (biorreactor). Al mismo tiempo, agua y una lechada de levadura de cervecero agotada (10% de materia seca) fueron añadidas en una cantidad como para llegar a un contenido de materia seca de 40% en peso en la mezcla.
En el biorreactor, la lechada resultante fue incubada por 8 horas a 34°C.
Enseguida, la lechada fue calentada en una segunda incubadora (biorreactor) a 100°C con inyección de un exceso de vapor de agua vivo por aproximadamente 30 min. El exceso de vapor de agua que contenía compuestos orgánicos volátiles (VOCs) que comprendían etanol, fue transferido a un intercambiador de calor refrigerante.
El condensado resultante tenía una concentración de etanol de 15% en peso.
El rendimiento de etanol fue de 4,8 kg por 100 kg de hojuelas de soya.
Posteriormente, el producto sólido húmedo fue sometido a secado flash y molido en un molino de púas Alpine. El producto desecado tenía el siguiente análisis:
Proteína cruda (N x 6,25) 58,3%
Carbohidratos 24,0%
Humedad 5,6%
Grasa cruda 0,9%
Fibra cruda 4,2%
Ceniza 7,0%
Además, los factores antinutricionales en el producto fermentado desecado estaban significativamente disminuidos con respecto al contenido en la materia prima:
Producto fermentado Materia prima
Oligosacáridos 0,9% 13,5%
Inhibidor de tripsina 2.900 TIU/g 62.000 TIU/g
p-conglicinina 8 ppm 90.000 ppm
El producto fermentado es altamente nutritivo y de sabor agradable, y por lo tanto es adecuado como un ingrediente en un número de productos alimenticios y piensos.
Ejemplo 2
Composición de VOC's en el aire de secado evacuado de una biomasa fermentada que comprendía polisacáridos y proteínas
A continuación se ilustra el contenido de compuestos orgánicos volátiles (VOC's) en el aire de secado de una biomasa fermentada a base de soya desgrasada. Se recogió una cantidad de aire de dos litros a una temperatura de 55,7°C y una humedad relativa de 67,1% en una bolsa Tedlar.
Métodos analíticos:
GC/FID - se refiere a un método en que la muestra de la bolsa Tedlar fue analizada mediante análisis por GC y cuantificada vs. etanol usando un detector FID.
GC/MS - se refiere a un método en que los componentes de la muestra de la bolsa Tedlar primero son adsorbidos en un tubo que contiene un material adsorbente, seguido por desorción para el análisis por GC mediante calentamiento, y cuantificados registrando el área pic vs. tolueno-d6. La identificación se efectuó por comparación de los espectros de masa con una base de datos NISt .
Los resultados están tabulados a continuación:
Figure imgf000009_0001
Los valores analíticos son valores medios de dos determinaciones
De los componentes enumerados, puede ser una opción usar el bio etanol obtenido por el proceso para generar calor para el proceso, por ejemplo por combustión catalítica, y al mismo tiempo deshacerse de compuestos orgánicos volátiles contaminantes, por ejemplo hexano.
Ejemplo 3
Fermentación en un proceso por lotes de una biomasa que comprendía polisacáridos y proteínas proveniente de una mezcla de legumbres y cereales, añadiendo diversas enzimas como ayudantes del procesamiento A continuación se ilustra la fermentación de una biomasa a base de una mezcla de soya desgrasada y trigo.
300 kg de una mezcla que contenía 10% en peso de materia seca de trigo machacado y 90% en peso de materia seca de hojuelas de soya descascarada y desgrasada y sometida a desolventización flash, fueron alimentados a un transportador de tornillo sin fin con una sola paleta cerrado, capaz de transportar, elevar y mezclar el material (biorreactor). Al mismo tiempo, agua y una lechada de levadura de cervecero agotada (10% de materia seca) y enzimas, fueron añadidas en una cantidad como para llegar a un contenido de materia seca de 45% en peso en la mezcla.
La mezcla de fermentación tenía un contenido de 3,5% en peso de levadura en base a la materia seca total y de 0,4% en peso en base a materia seca de cada una de Viscozyme Wheat, Spirizyme Fuel y Liquozyme de Novozymes, cuyas enzimas proporcionan actividades de alfa-amilasa, glucoamilasa y beta-glucanasa y actividades secundarias en la forma de actividades de xilanasa y celulasa.
En el biorreactor, la lechada resultante fue transportada, mezclada e incubada por 18 horas a 34°C.
El contenido de etanol en el material fermentado era de 73,1 g/kg de materia seca, correspondiente a 7,3 kg por 100 kg de materia seca de la mezcla de trigo/soya.
El producto sólido húmedo fue sometido a secado flash y molido en un molino de púas Alpine.
El producto fermentado desecado tenía un contenido de agua de 6,6 % en peso y un contenido de proteína de 59,1% en peso.
Ejemplo 4
Fermentación en un proceso a escala de laboratorio de una biomasa que comprendía polisacáridos y proteínas proveniente de soya, añadiendo ácido p-lupúlico de lúpulo como ayudante del procesamiento
La fermentación se efectuó en una biomasa a base de una mezcla de soya desgrasada y 3,5% en peso de levadura, y agua añadida en una cantidad como para llegar a un contenido de materia seca de 48% en peso en la mezcla. A las mezclas de fermentación, se añadió ácido p-lupúlico de lúpulo a diversas concentraciones.
La fermentación se efectuó en pequeños recipientes de vidrio a 34°C por 17 horas, seguido por tratamiento con calor para detener la fermentación.
Después de terminada la fermentación, el contenido de carbohidratos solubles fue extraído mediante agitación de una lechada en suspensión acuosa de 10% de DM por 30 min, seguido por centrifugación durante 10 min a 3.000 x g. Los extractos acuosos del material fermentado fueron analizados para determinar el contenido de carbohidratos por el método de fenol-ácido sulfúrico (Carbohydrate analysis - A practica! approach; IRL Press, Oxford. Ed. M.F. Chaplan & J.F. Kenndy, 1986).
Los resultados obtenidos están tabulados a continuación:
Figure imgf000010_0001
El etanol crudo no fue aislado en este experimento. Sin embargo, el etanol crudo podría haber sido separado de la mezcla fermentada por métodos convencionales, y la concentración de etanol en el condensado resultante podría haber sido determinada por métodos convencionales, por ejemplo como se describió en el Ejemplo 1.
De los resultados, puede verse que el uso de ácido p-lupúlico como ayudante del procesamiento disminuye el contenido de carbohidratos solubles en agua en el producto fermentado, o sea mejora el proceso de fermentación.
Ejemplo 5
Fermentación en un proceso por lotes de una biomasa que comprendía polisacáridos y proteínas proveniente de soya, añadiendo diversos ayudantes del procesamiento a base de lúpulo
250 kg de hojuelas de soya descascarada y desgrasada y sometida a desolventización flash, fueron alimentados a un transportador de tornillo sin fin con una sola paleta cerrado, capaz de transportar, elevar y mezclar el material (biorreactor). Al mismo tiempo, agua y una lechada de levadura de cervecero agotada (10% de materia seca) y ayudantes del procesamiento a base de lúpulo, fueron añadidos en una cantidad como para llegar a un contenido de materia seca de 45% en peso en la mezcla.
La mezcla de fermentación tenía un contenido de 3,5% en peso de levadura en base a la materia seca total y 3.000 ppm de a- ó p-ácidos, o a p-ácidos, o iso-a-ácidos de lúpulo.
En el biorreactor, la lechada resultante fue transportada, mezclada e incubada por 16 horas a 34°C.
El producto sólido húmedo fue sometido a secado flash y molido en un molino de púas Alpine.
Los productos fermentados desecados tenían un contenido de agua de 4,5-5,3% en peso y un contenido de proteínas de 56,0-56,8% en peso.
Antes y después de terminada la fermentación, el contenido de carbohidratos solubles fue analizado en los extractos acuosos del material fermentado y en el producto desecado por el método descrito en el Ejemplo 4.
Como se mencionó en el Ejemplo 4, el etanol crudo tampoco fue aislado en este experimento. Sin embargo, el etanol crudo podría haber sido separado de la mezcla fermentada por métodos convencionales, y la concentración de etanol en el condensado resultante podría haber sido determinada por métodos convencionales, por ejemplo como se describió en el Ejemplo 1.
Los resultados obtenidos están tabulados a continuación:
Figure imgf000010_0002
A partir de los resultados, puede verse que mediante el uso de diversos componentes de lúpulo durante la fermentación, es posible modular la cantidad de carbohidratos solubles.
La presencia de un extracto de lúpulo donde el constituyente principal son los p- ácidos, y también un extracto donde el constituyente principal son los iso-a-ácidos, redujo el contenido de carbohidratos solubles, en tanto que la presencia combinada de a- y p-ácidos tiende a conservar el contenido de carbohidratos solubles con respecto a la referencia sin ninguna adición de ayudantes del procesamiento de lúpulo.
Como se mencionó en el Ejemplo 4, el etanol crudo tampoco fue aislado en este experimento. Sin embargo, el etanol crudo podría haber sido separado de la mezcla fermentada por métodos convencionales, y la concentración de etanol en el condensado resultante podría haber sido determinada por métodos convencionales, por ejemplo como se describió en el Ejemplo 1.

Claims (23)

REIVINDICACIONES
1. Un método para la producción simultánea de un producto sólido fermentado y etanol, que comprende los siguientes pasos:
1) proporcionar una mezcla de una biomasa molida o en hojuelas o desintegrada de otra manera, que comprende oligosacáridos y/o polisacáridos, y levadura viva en una razón en materia seca de 2:1 a 100:1, y agua;
2) fermentar la mezcla resultante del paso (1) bajo condiciones en que el contenido de agua en la mezcla inicial no excede el 65% en peso, por 1-36 horas a una temperatura de alrededor de 25-60°C bajo condiciones anaeróbicas;
3) incubar la mezcla fermentada resultante del paso (2) por 0,5-240 minutos a una temperatura de alrededor de 70-150°C; y
4) separar el producto sólido fermentado húmedo de la mezcla fermentada resultante del paso (3);
que además comprende que la fermentación en el paso (2) se efectúa en uno o más transportadores de tornillo sin fin con paletas o de tornillo sin fin continuo interconectados, con medios de entrada para la mezcla de fermentación y los aditivos y medios de salida para el material fermentado, y también medios de control para la velocidad de rotación, la temperatura y el pH, y que además comprende un paso de:
5) separar el etanol crudo de la mezcla fermentada en el paso (2) mediante vacío y/o en el paso (3) mediante vacío o mediante inyección de vapor de agua y condensando el exceso de vapor de arrastre.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que uno o más ayudantes del procesamiento seleccionados entre enzimas, componentes a base de plantas y agentes de procesamiento orgánicos y agentes de procesamiento inorgánicos, son añadidos en cualquiera de los pasos (1), (2) y (3).
3. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que dichos uno o más transportadores de tornillo sin fin con paletas o de tornillo sin fin continuo interconectados están dispuestos en forma no vertical.
4. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-3, en el que al menos uno de dichos uno o más ayudantes del procesamiento es una enzima, tal como una proteasa, peptidasa, (a-)galactosidasa, amilasa, glucanasa, pectinasa, hemicelulasa, fitasa, lipasa, fosfolipasa u óxido-reductasa, y un proceso de sacarificación enzimática que convierte dichos oligo- y/o polisacáridos en carbohidratos fermentables tiene lugar simultáneamente con la fermentación de la levadura en el paso (2).
5. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-3, en el que al menos uno de dichos uno o más ayudantes del procesamiento es un componente a base de plantas, tal como un componente seleccionado entre romero, tomillo, orégano, flavonoides, ácidos fenólicos, saponinas y a- y p-ácidos de lúpulo para la modulación de los carbohidratos solubles, por ejemplo ácido a-lupúlico.
6. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende un paso de:
2a) fermentar la mezcla resultante del paso (2) por 1-36 horas a una temperatura de alrededor de 25-60°C bajo condiciones aeróbicas y opcionalmente separar el etanol crudo de la mezcla fermentada en el paso (2a) mediante vacío.
7. Método de acuerdo con la reivindicación 6, que además comprende que uno o más ayudantes del procesamiento son añadidos en el paso (2a).
8. Método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que al menos uno de dichos uno o más ayudantes del procesamiento es una enzima, tal como una proteasa, peptidasa, (a-)galactosidasa, amilasa, glucanasa, pectinasa, hemicelulasa, fitasa, lipasa, fosfolipasa u óxido-reductasa, y un proceso de sacarificación enzimática que convierte dichos oligo- y/o polisacáridos en carbohidratos fermentables tiene lugar simultáneamente con la fermentación de la levadura en el paso (2a).
9. Método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que al menos uno de dichos uno o más ayudantes del procesamiento es un componente a base de plantas, tal como un componente seleccionado entre romero, tomillo, orégano, flavonoides, ácidos fenólicos, saponinas y a- y p-ácidos de lúpulo para la modulación de los carbohidratos solubles, por ejemplo ácido a-lupúlico.
10. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el paso (3) se efectúa a una temperatura de alrededor de 70-120°C.
11. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho transportador de tornillo sin fin continuo es un tipo modificado de un tornillo de Arquímedes de una paleta o de múltiples paletas o un tornillo intersectado, destinado a transportar la mezcla de fermentación en una dirección no vertical y al mismo tiempo elevar el material de manera que sea transportado y agitado sin compactarlo.
12. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha levadura viva es seleccionada entre cepas de Saccharomyces cerevisiae, incluyendo levadura de cervecero agotada y levadura de destilador agotada y levadura agotada de la producción de vino, y también cepas de levadura que fermentan azúcares C5.
13. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha biomasa que comprende oligosacáridos y/o polisacáridos además comprende proteínas que se originan de partes de plantas proteínicas, por ejemplo legumbres tales como soya, arveja, lupino y/o cereales tal como trigo.
14. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha biomasa que comprende oligosacáridos y/o polisacáridos y opcionalmente proteínas además comprende aceites y grasas, por ejemplo provenientes de semillas de plantas que contienen aceite, por ejemplo semilla de colza.
15. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho producto sólido fermentado separado posteriormente se hace más soluble en agua por hidrólisis, por ejemplo mediante enzimas.
16. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que se efectúa como un proceso por lotes, por lote alimentado ("fed-batch") o continuo.
17. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho etanol producido se usa para generar calor para el proceso, por ejemplo por combustión catalítica, y así al mismo tiempo deshacerse de compuestos orgánicos volátiles contaminantes, por ejemplo hexano.
18. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el paso de fermentación (2) se efectúa bajo condiciones en las que el contenido de agua en la mezcla inicial no excede el 60% o no excede el 55% o no excede el 50% o no excede el 45%.
19. Un producto sólido fermentado que puede obtenerse a partir de una biomasa que comprende predominantemente oligosacáridos y/o polisacáridos por un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-18, en el que la proteína de levadura está comprendida en una cantidad de 1-95% en peso en base a materia seca y el carbohidrato está comprendido en una cantidad de 5-99% en peso en base a materia seca.
20. Producto sólido fermentado de acuerdo con la reivindicación 19, que comprende proteína en una cantidad de 25-90% en peso en base a materia seca, y glicérido en una cantidad de 0-30% en peso en base a materia seca, y en el que alrededor del 1-35% relativo de dicha proteína puede originarse de proteína de levadura y alrededor del 65-99% relativo de dicha proteína puede originarse de partes de plantas proteínicas, por ejemplo de legumbres y/o cereales.
21. Producto sólido fermentado de acuerdo con la reivindicación 20, en el que dicha biomasa comprende colza.
22. Uso de un producto sólido fermentado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 19-21 en un producto alimenticio procesado para consumo humano y/o animal o como un ingrediente para ser usado en un producto alimenticio o un pienso o como un ingrediente de un producto cosmético o farmacéutico o un suplemento nutritivo.
23. Un alimento, un pienso, un producto cosmético o farmacéutico o un suplemento nutritivo que contiene de 1 a 99% en peso de un producto sólido fermentado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 19-21.
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