JP6267122B2 - エタノールおよび発酵した固体産物を同時に生産する方法 - Google Patents

エタノールおよび発酵した固体産物を同時に生産する方法 Download PDF

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Description

本発明は、発酵した固体産物およびエタノールを同時に生産する方法に関する。
さらに本発明は、その方法により得ることができる産物および得られた産物の使用に関する。
持続可能なエネルギー源を開発する必要性が存在しており、バイオエタノールが輸送用の燃料として魅力的な源である。したがって、低コストでバイオエタノールを生産できる方法についての必要性が存在している。さらに、ヒトの食料および動物の飼料のためのタンパク質の代替源を提供する必要性が存在している。
単糖をエタノールに変換する酵母の能力は周知である。変換プロセスは、デンプンを含有する原材料を粉砕し、酵素および酸加水分解によりデンプンを発酵性糖に変換することにより頻繁に実施される。この後、酵母を加えて糖をアルコールおよび二酸化炭素に発酵させる。
このプロセスは、通常、バッチもしくはフェドバッチ内の低い乾燥物質含有量で実施されるか、または90%以上の水分含有量を有する連続プロセスで実施される。バイオエタノールの第2世代の生産において、発酵ブロス内の乾燥物質は最大約20%であることが報告されている。発酵後、アルコールは蒸留されて除去される。
経済的観点から、このプロセスにおける高水分含有量は以下の理由のために望ましくない:大量の反応容器に起因する高い処理コストおよび高い投資コスト。
WO 2005/069840 A2は、粉砕したデンプンを含有する材料からエタノールなどの発酵産物を生産する方法であって、粉砕したデンプンを含有する材料を、前記デンプンを含有する材料をゲル化せずに、特別に誘導されたグルコアミラーゼで糖化し、発酵微生物を使用して発酵させることを含む方法を開示している。
WO 2006/102907 A1は、80%を超えない水分含有量にて嫌気性条件下で発酵させること、および閉鎖系において発酵した混合物をインキュベートすることにより、酵母およびタンパク性豆類部分に由来する発酵したタンパク質産物を調製する方法を開示している。
WO 2004/113490 A3は、特定の酵素および代謝産物混合物を連続調製するための、安定な微生物混合集団の指向的選択的固相培養のための方法ならびにそのための適切なバイオリアクターを開示している。
WO2006/129320 A2は、デンプンを含有する穀物からタンパク質濃縮物を生産する方法であって、発酵を含み、発酵産物がエタノールであり得る、方法を開示している。
WO 2006/113683 A2は、糖化および発酵によりエタノールおよび改変された動物飼料を生産するための方法を開示している。
WO2006/056838 A1は、20%を超える乾燥物質含有量を有する多糖を含有するバイオマスを液化および糖化するための方法であって、機械的処理を提供する重力に基づいた種類の混合による混合と組み合わされた酵素加水分解を含む、方法を開示している。この処理により得られた処理済みのバイオマスは、後の発酵過程におけるエタノール生産のためにさらに利用され得る。
WO 2007/036795 A1は、廃棄画分を機械的に処理するための自由落下混合およびその後の発酵を用いて、20%を超える乾燥物質含有量を有する、単糖および/または多糖を含有する廃棄画分の前処理および酵素加水分解発酵による、バイオエタノールを含む発酵産物を生産するための方法を開示している。
原材料を処理するための発酵槽およびそのための作動方法は、EP 1 355 533 B1に開示されており、開示されている発酵槽は、産物混合物、特に練り粉、または水と粉末にした穀物産物の混合物を連続処理するためである。アルキメデススクリューを利用して連続発酵するための垂直リアクターがGB 2 049 457 Aに開示されている。
WO 2005/069840 A2 WO 2006/102907 A1 WO 2004/113490 A3 WO2006/129320 A2 WO 2006/113683 A2 WO2006/056838 A1 WO 2007/036795 A1 EP 1 355 533 B1 GB 2 049 457 A
「Physical and Chemical Characteristics of Oils, Fats and Waxes」、AOCS、1996 「Lipid Glossary 2」、F.D.Gunstone、The Oily Press、2004 Carbohydrate analysis - A practical approach、IRL Press、Oxford.Ed.M.F.Chaplan & J.F.Kenndy、1986
本発明の目的は、有益である発酵した固体産物の同時生産を可能にするバイオエタノールを生産するための改良された方法であって、プロセス中の水分含有量が低い方法を提供することである。
別の目的は、低い水分含有量および低い設備投資に起因して低コストで実施され得る方法を提供し、それによりまた、より低いコストで産物を提供することである。
さらに別の目的は、高い商業的価値の発酵した固体産物を提供することである。
これらの目的は本発明の方法および産物により満たされる。
したがって、第1の態様において、本発明は、発酵した固体産物およびエタノールを同時に生産する方法であって、以下の工程:
1)2:1〜100:1の乾燥物質比の、オリゴ糖および/または多糖を含む、粉砕したもしくは薄く剥がしたまたは別様に分解したバイオマスならびに生酵母、ならびに水の混合物を提供する工程と、
2)嫌気性条件下で約25〜60℃の温度にて1〜36時間、最初の混合物中の水分含有量が65重量%を超えない条件下で、工程(1)から得られた混合物を発酵させる工程と、
3)約70〜150℃の温度にて0.5〜240分の間、工程(2)から得られた発酵した混合物をインキュベートする工程と、
4)工程(3)から得られた発酵した混合物から湿った発酵した固体産物を分離する工程と
を含み、
工程(2)における発酵が、任意選択に、発酵混合物および添加物のための注入手段ならびに発酵物のための排出手段、ならびに回転速度、温度およびpHのための制御手段を備える非垂直に配置される1つまたは複数の相互接続されたパドルウォームコンベヤまたは連続ウォームコンベヤ中で実施されることをさらに含み、
5)粗エタノールを、真空により工程(2)における発酵した混合物から、および/または真空によりもしくは蒸気の注入により工程(3)における発酵した混合物から分離し、余剰のストリッピング蒸気を凝縮する工程
をさらに含む、方法に関する。
第2の態様において、本発明は、発酵した固体産物およびエタノールを同時に生産する方法であって、以下の工程:
1)2:1〜100:1の乾燥物質比の、オリゴ糖および/または多糖を含む粉砕したもしくは薄く剥がしたまたは別様に分解したバイオマスならびに生酵母、ならびに水の混合物を提供する工程と、
2)嫌気性条件下で約25〜60℃の温度にて1〜36時間、最初の混合物中の水分含有量が65重量%を超えない条件下で、工程(1)から得られた混合物を発酵させる工程と、
3)約70〜150℃の温度にて0.5〜240分の間、工程(2)から得られた発酵した混合物をインキュベートする工程と、
4)工程(3)から得られた発酵した混合物から湿った発酵した固体産物を分離する工程と
を含み、
1つまたは複数の加工助剤が工程(1)、(2)および(3)のいずれかにおいて加えられることをさらに含み、
5)粗エタノールを、真空により工程(2)における発酵した混合物から、および/または真空によりもしくは蒸気の注入により工程(3)における発酵した混合物から分離し、余剰のストリッピング蒸気を凝縮する工程
をさらに含む、方法に関する。
驚くべきことに、この方法における2つの特別な手段、すなわち、第1に1つまたは複数の相互接続されたパドルウォームコンベヤまたは連続ウォームコンベヤ中で発酵工程(2)を実施すること、第2に、粗エタノールを、既に、真空により工程(2)における発酵した混合物から、および/または真空によりもしくは蒸気の注入により工程(3)における発酵した混合物から分離し、余剰のストリッピング蒸気を凝縮することを、本発明の第1の態様に従って組み合わせることにより、従来技術の方法におけるより実質的に高い乾燥物質含有量にてエタノールを生産する方法を行うことおよび有益である発酵した固体生物学的産物を同時に生産することが可能となる。
さらに驚くべきことに、第1に、1つもしくは複数の酵素または1つもしくは複数の植物ベースの成分などの1つまたは複数の加工助剤を加え、第2に、粗エタノールを、既に、真空により工程(2)における発酵した混合物から、および/または真空によりもしくは蒸気の注入により工程(3)における発酵した混合物から分離し、余剰のストリッピング蒸気を凝縮する本発明の第2の態様を適用することにより、従来技術の方法におけるより実質的に高い乾燥物質含有量にてエタノールを生産する方法を行うこと、および有益な発酵した固体生物学的産物を同時に生産することが同様に可能となる。
通常、水分含有量が減少し、それにより発酵される混合物の乾燥物質含有量が高くなる場合、発酵混合物は小型になる傾向があるので、輸送作用に悪影響を与え、特定の水分含有量にて混合物は輸送が停止されるような程度まで小型になる。
水分含有量は、オリゴ糖の発酵性糖への変換またはそれらの糖の後の発酵に深刻な影響を及ぼさずに60%、55%、50%もしくは45%またはさら40%までさらに減少させてもよい。減少した量の水中の同じ量のアルコールの生産は、産物中のより高い濃度のアルコールを生じる。
本発明の第1の態様において本発明の方法は、輸送に加えてまた、コンベヤが材料の混合および持ち上げを提供するように構成される特別な発酵槽を使用する。これにより、水分含有量が最初に65重量%を超えない、すなわち発酵混合物がこの方法の開始時に最初の発酵混合物中に35重量%以上の乾燥物質含有量を有するのに対して、類似の従来技術の方法における乾燥物質含有量は約20%以下である、混合物中の発酵を実施することが可能となる。この方法の初期段階における低い水分含有量および粗エタノールを分離する可能性に起因して、この方法は従来技術の方法より低いコストで実施され得る。一実施形態において、本発明の第2の態様における本発明の方法はまた、前記特別な発酵槽を使用する。
本発明の一実施形態において、前記連続ウォームコンベヤは、発酵混合物を小型化せずにその発酵混合物を輸送し、撹拌するように発酵混合物を輸送し、同時に材料を持ち上げるように設計された、単一のブレードの付いたまたは複数のブレードの付いたアルキメデススクリューまたは交差スクリューの任意選択に改変された型であり、一態様では非垂直である。
本発明の別の実施形態において、前記特別な発酵槽は、垂直スクリューミキサー、例えばNauta Mixerである。
通常、生産されたエタノールの90重量%超が抽出され得る。エタノールの収量は発酵混合物中の炭水化物の含有量および発酵性糖への変換に依存する。脱脂大豆に基づいて4〜5重量%のエタノールを生成することができるのに対して、小麦に基づいておおよそ20重量%が得られ得る。
本発明は、発酵したバイオマスから得られる少量の成分、例えば0.01〜1%の、酢酸エチル、3-メチル-1-ブタノールおよび/または2-メチル-1-ブタノールなどの他のアルコールおよびエーテルさらに含む本発明に係る方法により得ることができる粗エタノール、ならびにタンパク質、炭水化物および任意選択に発酵したバイオマスから得られる食物繊維および/または塩を含み、酵母タンパク質が乾燥物質に基づいて1〜95重量%の量で含まれ、炭水化物が乾燥物質に基づいて5〜99重量%の量で含まれる、本発明に係る方法により得ることができる発酵した固体産物をさらに提供する。
定義
本発明の文脈において、以下の用語は、説明の他の場所で定義されない限り、以下を含むことを意味する。
「約」、「およそ」、「おおよそ」、または「ほぼ」という用語は、例えば、+/-1、2、5、10、20、またはさらに50%の程度の大きさであり得る、例えば、当該技術分野において一般に経験されている測定の不確実性を示すことを意味する。
「含む」という用語は、記載された部分、工程、特徴、組成物、化学物質、または成分の存在を特定すると解釈されるが、1つまたは複数の追加の部分、工程、特徴、組成物、化学物質または成分の存在を排除しない。例えば、化学化合物を含む組成物はこのように追加の化学化合物などを含んでもよい。
バイオマス:
燃料のためにまたは工業生産における原材料として使用され得る生物学的材料を含む。この文脈において、バイオマスとは、茎、小枝、葉、花、果実、種子などの形態である植物を指す。
別様に分解:
酸性またはアルカリ性の圧力調理または超音波処理により分解されることを意味する。
オリゴ糖および多糖:
オリゴ糖は、単糖としても知られている、少数の構成要素の単量体糖を含有するサッカリド重合体である。
多糖は、複合糖質としても知られている、多数の構成要素の単量体糖を含有するサッカリド重合体である。例には、デンプンなどの貯蔵多糖およびセルロースなどの構造多糖が含まれる。
炭水化物:
単糖、二糖、オリゴ糖および多糖を含む。
タンパク性材料:
直鎖状に配置され、ペプチド結合と呼ばれる結合により一緒に連結されたアミノ酸から作製された有機化合物を含む。最大でおおよそ50個のアミノ酸の鎖の長さで化合物はペプチドと呼ばれ、より高い分子量で有機化合物はポリペプチドまたはタンパク質と呼ばれる。
脂肪:
脂肪酸とグリセロールとの間のエステルを含む。グリセロールの1分子は、1、2および3脂肪酸分子にエステル化され、モノグリセリド、ジグリセリドまたはトリグリセリドをそれぞれ生じ得る。通常、脂肪は、主にトリグリセリドおよび少量のレシチン、ステロールなどからなる。脂肪が室温で液体である場合、通常、油と呼ばれる。この文脈において油、脂肪および関連する産物に関して、参照は、「Physical and Chemical Characteristics of Oils, Fats and Waxes」、AOCS、1996および「Lipid Glossary 2」、F.D.Gunstone、The Oily Press、2004になされている。
グリセリド:
モノグリセリド、ジグリセリドおよびトリグリセリドを含む。
加工助剤:
1.酵素
酵素は触媒として作用する非常に大きなクラスのタンパク質性物質である。一般に、それらは6つのクラスに分けられ、本発明の範囲内の主なクラスは、官能基を転移するトランスフェラーゼおよび様々な結合を加水分解するヒドロラーゼであり得る。典型的な例には、プロテアーゼ、ペプチダーゼ、(α-)ガラクトシダーゼ、アミラーゼ、グルカナーゼ、ペクチナーゼ、ヘミセルラーゼ、フィターゼ、リパーゼ、ホスホリパーゼおよびオキシドレダクターゼが含まれ得る。
2.植物成分および有機加工剤
この文脈において重要である機能特性の一部は、抗酸化作用、抗菌作用、湿潤特性および酵素の刺激である。
植物ベースの成分の一覧は大きいが、最も重要なものは以下である:ローズマリー、タイム、オレガノ、フラボノイド、フェノール酸、サポニンならびに可溶性炭水化物を調節するためのホップ由来のα-酸およびβ-酸、例えばα-ルプル酸。
さらに、pH値、保存およびキレート特性を調整するための有機酸、例えばソルビン酸、プロピオン酸、乳酸、クエン酸およびアスコルビン酸ならびにそれらの塩はこの加工助剤の群の一部である。
この群におけるさらなる要素は、酵母のエタノール耐性を調節するための脂質、例えばC18不飽和脂肪酸中に多い植物性脂肪のコレステロール、油およびオレイン画分である。
3.無機加工剤
加工中に細菌の攻撃に対して発酵混合物を保存できる無機組成物、例えば亜硫酸水素ナトリウムなど、最終産物中の凝固阻止剤および流動性向上剤、例えばケイ酸アルミニウムカリウムなどを含む。
加工食品産物:
乳製品、加工肉食品、スイーツ、デザート、アイスクリームデザート、缶詰製品、凍結乾燥した食事、ドレッシング、スープ、インスタント食品、パン、ケーキなどを含む。
加工飼料産物:
子豚、子牛、家禽、毛皮のある動物、ヒツジ、ネコ、イヌ、サカナおよび甲殻類などの動物用のすぐに使える飼料を含む。
医薬品:
典型的に、疾患または病態の症状を治癒および/または軽減することを目的とする1つまたは複数の生物学的に活性な成分を含有する錠剤の形態または粒状形態の製剤を含む。医薬品は薬学的に許容可能な賦形剤および/または担体をさらに含む。本明細書に開示された固体生物製剤は錠剤または粒状の薬学的に許容可能な成分としての使用に非常に良く適している。
化粧品:
個人衛生ならびにコンディショナーおよび浴剤などの外観を良くすることを目的する製品を含む。
本発明の第1の態様における本発明の方法の一実施形態において、1つまたは複数の加工助剤が工程(1)、(2)および(3)のいずれかにおいて加えられる。
本発明の第2の態様における本発明の方法の一実施形態において、工程(2)における発酵は、任意選択に発酵混合物および添加物のための注入手段ならびに発酵物のための排出手段、ならびに回転速度、温度およびpHのための制御手段を備える垂直に配置される1つまたは複数の相互接続されたパドルウォームコンベヤまたは連続ウォームコンベヤにおいて実施され、ならびに/あるいは粗エタノールを、真空により工程(2)における発酵した混合物からおよび/または真空によりもしくは蒸気の注入により工程(3)における発酵した混合物から分離し、余剰のストリッピング蒸気を凝縮する工程(5)をさらに含む。
一実施形態において、本発明の方法は、2a)好気性条件下で約25〜60℃の温度にて1〜36時間、工程(2)から得られた混合物を発酵させる工程および任意選択に真空により工程(2a)における発酵した混合物から粗エタノールを分離する工程をさらに含む。
別の実施形態において、工程(3)は約70〜120℃の温度にて実施される。通常、インキュベーション工程(3)において、高温は短時間用いられ、低温はより長いインキュベーション時間で用いられる。
乾燥物質含有量は、工程1)の混合物の35〜70重量%、例えば40〜65%または45〜60%または50〜55%で変化してもよい。
本発明の方法の両方の態様の実施形態において、工程(1)、(2)、(2a)および(3)のいずれかにおいて加えられる少なくとも1つの加工助剤は1つまたは複数の酵素であり、オリゴ糖および/または多糖を発酵性炭水化物に変換する酵素的糖化プロセスは酵母発酵と同時に行われる。酵素は、プロテアーゼ、ペプチダーゼ、ガラクトシダーゼ、アミラーゼ、ペクチナーゼ、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ、グルカナーゼ、グルコシダーゼ、フィターゼ、リパーゼ、オキシドレダクターゼおよびホスホリパーゼからなる群から選択されてもよい。
この実施形態は、投資の観点から、およびより短い反応時間を目的として最も有益であることが見出された。したがって、遊離した発酵性糖を連続して発酵させることにより、カタボライト抑制が回避され、物質収支平衡が正確に押し進められる。
このことは、本発明に係る高い乾燥物質含有量で操作する場合、特に重要である。
本発明の方法の両方の態様の他の実施形態において、少なくとも1つの加工助剤は、ローズマリー、タイム、オレガノ、フラボノイド、フェノール酸、サポニンならびに可溶性炭水化物を調節するためのホップ由来のα-酸およびβ-酸、例えばα-ルプル酸から選択される成分などの1つもしくは複数の植物ベースの成分である。
本発明の方法に使用される酵母は、例えば、使用済みの醸造酵母および使用済みの蒸留酒酵母およびワイン醸造からの使用済みの酵母を含む、サッカロマイセスセレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)株、ならびにC5糖を発酵する酵母菌株の中から選択されてもよい。C5糖はキシロースおよびアラビノースなどのペントースベースの糖である。
別の実施形態において、オリゴ糖および/または多糖を含むバイオマスは、タンパク性植物部分、例えば、大豆、エンドウ、ルピナスなどの豆類、および/または小麦などの穀物に由来するタンパク質をさらに含む。適切なバイオマスの例は、粉末にしたまたは薄く剥がした脱脂大豆である。適切なバイオマスはまた、粉末にしたまたは薄く剥がした穀物、例えば小麦であってもよい。さらに、豆類部分および穀物の混合物がこの方法により処理するのに適したバイオマスである。
オリゴ糖および/または多糖ならびに任意選択にタンパク質を含むバイオマスは、例えば含油植物の種子、例えば菜種由来の油および脂肪をさらに含んでもよい。適切なバイオマスの例は、粉末にしたまたは薄く剥がした脂肪分の高い大豆もしくは菜種またはそれらの混合物である。
工程(4)および(5)における発酵した産物およびエタノールの分離は、例えば蒸気によるストリッピング、蒸発、凝縮、蒸留、濾過、遠心分離および沈殿を含む、標準的な単位操作により実施されてもよい。
他の実施形態において、分離された化合物は、例えば他の成分の精製、乾燥、粉砕および混合を含む特別な処理に供されてもよい。このためならびに工程(4)および(5)における分離のために使用され得る全ての単位操作は当業者に周知である。
分離された発酵した固体産物は、続いて、例えば酵素による、加水分解によりさらに水溶性になり得る。本発明の方法は、例えばバッチ、フェドバッチまたは連続プロセスとして実施されてもよい。
最後に、本発明の方法により生産されたエタノールは、例えば触媒燃焼によりこの方法のための熱を生成し、それにより同時に汚染揮発性有機化合物、例えばヘキサンを取り除くために使用されてもよい。この場合、生成される副産物は二酸化炭素および水である。
一実施形態において、本発明の発酵した固体産物は、乾燥物質に基づいて25〜90重量%の量でタンパク質、および乾燥物質に基づいて0〜30重量%の量でグリセリドを含む。前記タンパク質に対する約1〜35%は酵母タンパク質に由来してもよく、前記タンパク質に対する約65〜99%はタンパク性植物部分、例えば大豆および/または小麦などの豆類および/または穀物に由来してもよい。
別の実施形態において、発酵した固体産物は、主にオリゴ糖および/または多糖を含むバイオマスに由来し、乾燥物質に基づいて1〜95重量%の量で酵母タンパク質および乾燥物質に基づいて5〜99重量%の量で炭水化物を含む。
本発明に従って得られ得る粗エタノールは、発酵過程のための熱を生成するために使用されてもよい。
本発明はまた、ヒトおよび/または動物消費のための加工食品製品における、食品もしくは飼料製品に使用される成分としての、または化粧品もしくは医薬品もしくは栄養補助剤の成分としての、本発明に係る発酵した固体産物の使用に関する。
最後に、本発明は、1〜99重量%の本発明に係る発酵した固体産物を含有する食品製品、飼料製品、化粧品もしくは医薬品または栄養補助剤に関する。
(実施例)
(実施例1)
豆類由来の多糖およびタンパク質を含むバイオマスの連続プロセスにおける発酵
以下において、脱脂大豆に基づいたバイオマスの発酵を示す。
1時間当たり100kgの脱皮し、脱脂し、フラッシュ脱溶媒した(flash desolventised)大豆フレークを、材料(バイオリアクター)を輸送し、持ち上げ、混合できる閉鎖した単一のブレードの付いたウォームコンベヤに連続して供給した。同時に水および使用済みの醸造酵母(10%乾燥物質)のスラリーを混合物中に40重量%の乾燥物質含有量に到達する量で加えた。バイオリアクターにおいて、得られたスラリーを34℃にて8時間インキュベートした。
次に、おおよそ30分間、余剰の水蒸気の注入によりスラリーを第2のインキュベータ(バイオリアクター)中で100℃まで加熱した。エタノールを含む揮発性有機化合物(VOC)を含有している余剰の蒸気を冷却熱交換器に移した。得られた凝縮物は15重量%のエタノール濃度を有した。エタノール収量は100kgの大豆フレーク当たり4.8kgであった。続いて、湿った固体産物をフラッシュ乾燥し、Alpineピン粉砕機で粉砕した。
乾燥産物は以下の分析結果を有した:
Figure 0006267122
さらに、乾燥した発酵した産物中の非栄養因子は原材料含有量に対して顕著に減少した:
Figure 0006267122
発酵した産物は非常に栄養価が高く、口に合うので、多くの食品および飼料製品中の成分として適切である。
(実施例2)
多糖およびタンパク質を含む発酵したバイオマスの排気乾燥空気中のVOCの組成
以下において、脱脂大豆に基づいた発酵したバイオマス由来の乾燥空気中の揮発性有機化合物(VOC)の含有量を例示する。2リットルの空気量を55.7℃の温度および67.1%の相対湿度にてTedlarbag中に収集した。
分析法:
GC/FIDとは、Tedlarbagからの試料がGC分析により分析され、FID検出器を使用してエタノールに対して定量化された方法を指す。
GC/MSとは、Tedlarbagからの試料成分が吸着材を含有する管中に最初に吸着され、続いて加熱によりGC分析のために脱着し(desorbtion)、トルエン-d6に対するピーク面積を記録することにより定量化される方法を指す。質量スペクトルをNIST-データベースと比較することにより識別を行った。
結果を以下に表にする:
Figure 0006267122
列挙した成分から、例えば触媒燃焼による方法のために熱を生成し、同時に汚染揮発性有機化合物、例えばヘキサンを取り除く方法により得られるバイオエタノールを使用することは任意選択であってもよい。
(実施例3)
加工助剤として様々な酵素を加えた豆類および穀物の混合物由来の多糖およびタンパク質を含むバイオマスのバッチ処理における発酵
以下において、脱脂大豆および小麦の混合物に基づいたバイオマスの発酵を例示する。
破砕した小麦の乾燥物質10重量%および脱皮し、脱脂し、フラッシュ脱溶媒化した大豆フレークの乾燥物質90重量%を含有する300kgの混合物を、材料(バイオリアクター)を輸送し、持ち上げ、混合できる閉鎖した単一のブレードの付いたウォームコンベヤに供給した。同時に水および使用済みの醸造酵母(10%乾燥物質)のスラリーおよび酵素を混合物中に45重量%の乾燥物質含有量に到達する量で加えた。
発酵混合物は、全乾燥物質に基づいて3.5重量%の酵母および乾燥物質に基づいて0.4重量%のNovozymes製のViscozyme Wheat、Spirizym FuelおよびLiquozymeの各々の含有量を有し、それらの酵素は、アルファ-アミラーゼ、グルコアミラーゼ、ベータ-グルカナーゼ活性ならびにキシラナーゼおよびセルラーゼ活性の形態の副活性を提供する。
バイオリアクター中に得られたスラリーを移し、混合し、34℃にて18時間インキュベートした。
発酵物中のエタノール含有量は、小麦/大豆混合物の乾燥物質100kg当たり7.3kgに対応する73.1g/kg乾燥物質であった。
湿った固体産物をフラッシュ乾燥し、Alpineピン粉砕機で粉砕した。乾燥した発酵した産物は6.6重量%の水分含有量および59.1重量%のタンパク質含有量を有した。
(実施例4)
加工助剤としてホップ由来のβ-ルプル酸を加えた、大豆由来の多糖およびタンパク質を含むバイオマスの実験室規模の処理における発酵
発酵は、脱脂した大豆ならびに3.5重量%の酵母および混合物中に48重量%の乾燥物質含有量に到達する量で加えた水の混合物に基づいたバイオマスで実施した。
発酵混合物にホップ由来のβ-ルプル酸を様々な濃度で加えた。
発酵は、34℃にて17時間、小さなガラス容器中で実施し、続いて熱処理して発酵を停止させた。発酵が終了した後、可溶性炭水化物の含有物を、30分間、10%DMの淡い懸濁スラリーを撹拌することにより抽出し、続いて3000×gにて10分間遠心分離した。フェノール-硫酸法(Carbohydrate analysis - A practical approach、IRL Press、Oxford.Ed.M.F.Chaplan & J.F.Kenndy、1986)により炭水化物含有量について発酵の淡い抽出物を分析した。
得られた結果を以下に表にする:
Figure 0006267122
粗エタノールはこの実験で分離しなかった。しかしながら、粗エタノールは従来の方法により発酵した混合物から分離でき、得られた凝縮物中のエタノールの濃度は、例えば実施例1に記載したように従来の方法により決定した。
その結果から、加工助剤としてのβ-ルプル酸の使用は、発酵した産物中の水溶性炭水化物の含有量を減少させる、すなわち発酵過程を改善することが理解できる。
(実施例5)
様々なホップベースの加工助剤を加えた、大豆由来の多糖およびタンパク質を含むバイオマスのバッチ処理における発酵
250kgの脱皮し、脱脂し、フラッシュ脱溶媒した大豆フレークを、材料(バイオリアクター)を輸送し、持ち上げ、混合できる閉鎖した単一のブレードの付いたウォームコンベヤに供給した。同時に、水および使用済みの醸造酵母(10%乾燥物質)のスラリーおよびホップベースの加工助剤を、混合物中に45重量%の乾燥物質含有量に到達する量で加えた。発酵混合物は、全乾燥物質に基づいて3.5重量%の酵母および3000ppmのホップ由来のα-酸、もしくはβ-酸、またはα+β酸、またはイソ-α-酸の含有量を有した。バイオリアクター中に得られたスラリーを移し、混合し、34℃にて16時間、インキュベートした。湿った固体産物をフラッシュ乾燥し、Aplineピン粉砕機で粉砕した。乾燥した発酵した産物は4.5〜5.3重量%の水分含有量および56.0〜56.8重量%のタンパク質含有量を有した。発酵が終了した前後に、可溶性炭水化物の含有量を、実施例4に記載した方法により発酵物の淡い抽出物および乾燥産物で分析した。実施例4で述べたように、粗エタノールはこの実験でいずれも分離しなかった。しかしながら、粗エタノールは従来の方法により発酵した混合物から分離でき、得られた凝縮物中のエタノールの濃度は、例えば実施例1に記載したように従来の方法により決定した。
得られた結果を以下に表にする:
Figure 0006267122
この結果から、発酵中の様々なホップ成分の使用により、可溶性炭水化物の量を調節できることが理解できる。
主な構成要素がβ-酸であるホップ抽出物および主な構成要素がイソ-α-酸である抽出物の存在は、可溶性炭水化物の含有量を減少させたのに対して、α-酸およびβ-酸の組み合わされた存在は、ホップ加工助剤を添加していない参照と比較して可溶性炭水化物の含有量を保存する傾向がある。
実施例4に述べたように、粗エタノールは同様にこの実験において分離しなかった。しかしながら、粗エタノールは従来の方法により発酵した混合物から分離でき、得られた凝縮物中のエタノールの濃度は、例えば実施例1に記載したように従来の方法により決定した。

Claims (32)

  1. 発酵した固体産物およびエタノールを同時に生産するための方法であって、以下の工程:
    1)2:1〜100:1の乾燥物質比の、オリゴ糖および/または多糖を含む粉砕したもしくは薄く剥がしたバイオマスまたは酸性もしくはアルカリ性の圧力調理または超音波処理により分解したバイオマスならびに生酵母、ならびに水の混合物を提供する工程と、
    2)嫌気性条件下で25〜60℃の温度にて1〜36時間、最初の混合物中の水分含有量が65重量%を超えない条件下で、工程(1)から得られた混合物を発酵させる工程と、
    3)70〜150℃の温度にて0.5〜240分の間、工程(2)から得られた発酵した混合物をインキュベートする工程と、
    4)工程(3)から得られた発酵した混合物から湿った発酵した固体産物を分離する工程と
    を含み、
    工程(2)における発酵が、発酵混合物および添加物のための注入手段ならびに発酵物のための排出手段、ならびに回転速度、温度およびpHのための制御手段を備える1つもしくは複数の相互接続されたパドルウォームコンベヤまたは連続ウォームコンベヤ中で実施されることをさらに含み、
    5)粗エタノールを、真空により工程(2)における発酵した混合物から、および/または真空もしくは蒸気の注入により工程(3)における発酵した混合物から分離し、余剰のストリッピング蒸気を凝縮する工程をさらに含む、方法。
  2. 酵素、植物成分および有機加工剤、ならびに無機加工剤から選択される1つまたは複数の加工助剤が工程(1)、(2)および(3)のいずれかにおいて加えられる、請求項1に記載の方法。
  3. 発酵した固体産物およびエタノールを同時に生産する方法であって、以下の工程:
    1)2:1〜100:1の乾燥物質比の、オリゴ糖および/または多糖を含む粉砕したもしくは薄く剥がしたバイオマスまたは酸性もしくはアルカリ性の圧力調理または超音波処理により分解したバイオマスならびに生酵母、ならびに水の混合物を提供する工程と、
    2)嫌気性条件下で25〜60℃の温度にて1〜36時間、最初の混合物中の水分含有量が65重量%を超えない条件下で、工程(1)から得られた混合物を発酵させる工程と、
    3)70〜150℃の温度にて0.5〜240分の間、工程(2)から得られた発酵した混合物をインキュベートする工程と、
    4)工程(3)から得られた発酵した混合物から湿った発酵した固体産物を分離する工程と
    を含み、
    酵素、植物成分および有機加工剤、ならびに無機加工剤から選択される1つまたは複数の加工助剤が工程(1)においておよび任意選択に工程(2)および(3)のいずれかにおいて加えられることをさらに含み、
    5)粗エタノールを、真空により工程(2)における発酵した混合物から、および/または真空もしくは蒸気の注入により工程(3)における発酵した混合物から分離し、余剰のストリッピング蒸気を凝縮する工程をさらに含む、方法。
  4. 工程(2)における発酵が、発酵混合物および添加物のための注入手段ならびに発酵物のための排出手段、ならびに回転速度、温度およびpHのための制御手段を備える垂直スクリューミキサーまたは1つもしくは複数の相互接続されたパドルウォームコンベヤまたは連続ウォームコンベヤ中で実施されることをさらに含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記1つまたは複数の相互接続されたパドルウォームコンベヤまたは連続ウォームコンベヤが非垂直に配置される、請求項1〜2および4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記1つまたは複数の加工助剤の少なくとも1つが酵素であり、前記オリゴ糖および/または多糖を発酵性炭水化物に変換する酵素的糖化プロセスが、工程(2)における酵母発酵と同時に行われる、請求項2〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記酵素が、プロテアーゼ、ペプチダーゼ、(α-)ガラクトシダーゼ、アミラーゼ、グルカナーゼ、ペクチナーゼ、ヘミセルラーゼ、フィターゼ、リパーゼ、ホスホリパーゼまたはオキシドレダクターゼである、請求項6に記載の方法。
  8. 前記1つまたは複数の加工助剤の少なくとも1つが、ローズマリー、タイム、オレガノ、フラボノイド、フェノール酸、サポニンならびに可溶性炭水化物を調節するためのホップ由来のα-酸およびβ-酸から選択される成分である、請求項2〜5のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記可溶性炭水化物を調節するためのホップ由来のα-酸およびβ-酸が、α-ルプル酸である、請求項8に記載の方法。
  10. 2a)好気性条件下で25〜60℃の温度にて1〜36時間、工程(2)から得られた混合物を発酵させる工程および任意選択に、粗エタノールを、真空により工程(2a)における発酵した混合物から分離する工程をさらに含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 1つまたは複数の加工助剤が工程(2a)において加えられることをさらに含む、請求項10に記載の方法。
  12. 前記1つまたは複数の加工助剤の少なくとも1つが酵素であり、前記オリゴ糖および/または多糖を発酵性炭水化物に変換する酵素的糖化プロセスが、工程(2a)における酵母発酵と同時に行われる、請求項11に記載の方法。
  13. 前記酵素が、プロテアーゼ、ペプチダーゼ、(α-)ガラクトシダーゼ、アミラーゼ、グルカナーゼ、ペクチナーゼ、ヘミセルラーゼ、フィターゼ、リパーゼ、ホスホリパーゼまたはオキシドレダクターゼである、請求項12に記載の方法。
  14. 前記1つまたは複数の加工助剤の少なくとも1つが、ローズマリー、タイム、オレガノ、フラボノイド、フェノール酸、サポニンならびに可溶性炭水化物を調節するためのホップ由来のα-酸およびβ-酸から選択される成分である、請求項11に記載の方法。
  15. 前記可溶性炭水化物を調節するためのホップ由来のα-酸およびβ-酸が、α-ルプル酸である、請求項14に記載の方法。
  16. 工程(3)が70〜120℃の温度にて実施される、請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記連続ウォームコンベヤが、発酵混合物を小型化せずに輸送し、撹拌するように非垂直方向において発酵混合物を輸送し、同時に材料を持ち上げるように設計された、単一のブレードの付いたまたは複数のブレードの付いたアルキメデススクリューまたは交差スクリューの改変型である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記生酵母が、使用済みの醸造酵母および使用済みの蒸留酒酵母およびワイン醸造からの使用済みの酵母を含む、サッカロマイセスセレビシエ株、ならびにC5糖を発酵する酵母菌株の中から選択される、請求項1〜17のいずれか一項に記載の方法。
  19. オリゴ糖および/または多糖を含む前記バイオマスが、タンパク性植物部分に由来するタンパク質をさらに含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 前記タンパク性植物部分が、豆類および／または穀物である、請求項19に記載の方法。
  21. 前記豆類が大豆、エンドウ、またはルピナスである、請求項20に記載の方法。
  22. 前記穀物が小麦である、請求項20に記載の方法。
  23. オリゴ糖および/または多糖ならびに任意選択にタンパク質を含む前記バイオマスが、油および脂肪をさらに含む、請求項1〜22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 前記油および脂肪が、含油植物の種子由来である、請求項23に記載の方法。
  25. 前記含油植物の種子が、菜種である、請求項24に記載の方法。
  26. 前記分離された発酵した固体産物が、続いて、加水分解によりさらに水溶性になる、請求項1〜25のいずれか一項に記載の方法。
  27. 前記加水分解が酵素による、請求項26に記載の方法。
  28. バッチ、フェドバッチまたは連続プロセスとして実施される、請求項1〜27のいずれか一項に記載の方法。
  29. 生産された前記エタノールが、触媒燃焼による、プロセスのための熱を生成し、それにより同時に汚染揮発性有機化合物を取り除くために使用される、請求項1〜28のいずれか一項に記載の方法。
  30. 前記汚染揮発性有機化合物がヘキサンである、請求項29に記載の方法。
  31. 発酵する工程(2)が、最初の混合物中の水分含有量が60%を超えないまたは55%を超えないまたは50%を超えないまたは45%を超えない条件下で実施される、請求項1〜30のいずれか一項に記載の方法。
  32. 1300mg/m3のエタノール、0.10 mg/m3のヘキサン、酢酸エチル、3-メチル-1-ブタノールおよび／または2-メチル-1-ブタノールから選択される0.01-1％の他の成分を含む、粗エタノール。
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