DE3207676A1

DE3207676A1 - Verfahren zur verzuckerung von rhizomen und anschliessende fermentierung zu alkohol

Info

Publication number: DE3207676A1
Application number: DE19823207676
Authority: DE
Inventors: Shozo Osaka Ito; Kazuo Nishinomiya Hyogo Kakutani; Yoshikazu Nara Matsumura; Michihiko Takaishi Osaka Nojiri; Takehiko Izumi Osaka Yamamoto
Original assignee: Hankyo Kyoei Bussan Co Ltd; Ueda Chemical Industrial Co Ltd; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Hankyo Kyoei Bussan Co Ltd; Ueda Chemical Industrial Co Ltd; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1981-03-14
Filing date: 1982-03-03
Publication date: 1982-10-28
Also published as: AU8137882A; NL8200606A; DE3207676C2; JPH0260317B2; BR8201351A; AU552943B2; US4474883A; JPS57152888A; DK109882A

Description

Ver.fahren zur Verzuckerung von Rhizomen und anschließende Fermentierung zu Alkohol

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verzuckern von Ehizomen mit anschließender Fermentierung zu Alkohol. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Verzuckern von Rhizomen, wie zum Beispiel Süßkartoffeln, Kassawawurzeln und weißen Kartoffeln in einem enzymatisehen Prozess ohne übliche Dampfbehandlung sowie Verwendung des erhaltenen Materials als Rohmaterial für die Fermentierung zu Alkohol. Die Vorräte an fossiler Energie wurden knapper; im Gegenzuge hierzu wurde man in jüngerer Zeit auf die Umwandlung erneuerbarer Hilfsquellen, das heißt Biomasse, in Energiequellen und die Verwendung von Biomasse als chemisches Rohmaterial, aufmerksam.

Bisher wurden nach üblichen Verfahren zur Verzuckerung

von Rhizomen, wie zum Beispiel Süßkartoffeln, Kassawawurzeln, weißen Kartoffeln, usw. und nachfolgende Fermentation zu Alkohol solche Rohmaterialen zur Gelatinisierung von Stärke einmal gekocht, anschließend wurde

cc-Amylase zur Einwirkung auf die gelatinisierte Starke 35

zugegeben, um diese in Dextrin umzuwandeln, das wiederum der Fermentierung zu Alkohol unterworfen wurde.

Jedoch besitzen solche üblichen Verfahren Nachteile; es wurden Ausrüstungen großer Dimensionen, wie zum Beispiel Hochdruckkochkessel,benötigt und ebenso war eine große Wärmemenge zum Kochen notwendig. Insbesondere erhöhte eine solche Wärmemenge und diejenige, die zum Abdestillierung von Äthanol aus de^r fermentierten Maische zur Alkoholgewinnung benötigt worden war, die Wärmemenge, die zum Gesamtverfahren der Fermentierung zu Äthanol nötig war, wodurch kein kommerziell wirksames Verfahren erreicht werden konnte. Zum Beispiel wurde übliches Kochen der Rhizome zur Gelatinisierung der Stärke für die Verzuckerung und anschließende Fermentierung zu

Alkohol unter einem Druck von etwa 2,5 kg/cm während etwa 30 bis 60 Minuten durchgeführt,und die Menge an Dampf, der zum Erhitzen benötigt wurde, betrug etwa 30 % der gesamten Dampfmenge, die zur Alkoholproduktion notwendig war. Ferner mischt sich Ablauf im Material während der Kochbehandlung, wodurch das Zufuhrsubstrat für Alkohol verdünnt wird und so die Konzentration des durch Fermentierung erhaltenen Alkohols verringert wird. Ferner wird die zur Alkoholdestillation, die in der Endstufe durchgeführt wird, benötigte Wärmemenge erhöht und die Ausbeute an Alkoholprodukt, bezogen auf die Einheit einer Wärmemenge, verringert. Nach üblichen Verfahren betrug die für die Alkoholdestillatxon benötigte Menge an Wärmeenergie sogar die Hälfte der Verbrennungsenergie des Alkohols.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein

Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem Rhizome ohne übliches Kochen der Enzymolyse unterworfen werden, wobei eine hohe Konzentration an verzuckertem Material erhalten wird, das dann der Fermentierung zu Alkohol bei hoher Konzentration unterworfen wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß das übliche Kochen der Shizome nicht

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nur eine Gelatinisierung von Stärke, sondern auch eine Sterilisierung der Rhizome bewirkte, so daß keine Kontaminierung während der Fermentation zu Alkohol auftrat. Es wurden Studien für ein Verfahren zur Durch- t> führung der Sterilisierung von Rhizoraen als Rohmaterial durchgeführt, die von der Gelatinisierung und Verzuckerung getrennt abläuft. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wurde gefunden, daß dann, wenn Rhizome zur Entfernung von Erde mit Wasser gewaschen werden und einige Stunden bei Raumtemperatur in verdünnte Säure eingetaucht werden, es möglich ist, diese gegen Mikroorganismen, die für die Fermentierung zu Alkohol schädlich sind, zu sterilisieren. Ferner wurden Studien zur Verzuckerung von Stärke gemacht und festgestellt, daß dann, wenn Enzyme für die Mazerierung erst den zerkleinerten Rhizomen zur Bildung einer Aufschlämmung zugesetzt werden und der Aufschlämmung dann verflüssigende oC-Amylase zugesetzt wird, gefolgt von einer leichten Erwärmung zur Verzuckerung von Stärke, die Verzuckerung durch Glukoamylase beträchtlich· verstärkt wird, und daß besonders dann, wenn weiße Kartoffeln als Rohmaterial verwendet werden und ein Teil der überstehenden Flüssigkeit des mazerierten Materials, die durch die Einwirkung von Mazerationsenzymen gebildet wird, entfernt wird, gefolgt von der Behandlung mit einer bakteriellen ed-Amylase, ein System hoher Konzentration von Fermentierung zu Alkohol erhalten werden kann.

Der erste Prozeß gemäß der Erfindung wurde auf Grundlage der oben beschriebenen Feststellungen vervollständigt. Dieser Prozeß besteht darin, daß man:

Rhizome durch Tauchbehandlung in einer verdünnten Säure sterilisiert,

die sterilisierten Rhizome verkleinert, ■ '

die zerkleinerten Rhizome durch Enzyme zu einer Aufschlämmung mazeriert,

bakterielle ^-Amylase der Aufschlämmung zusetzt und

-δι anschließend erwärmt, um die Stärke in Dextrine zu überführen,

dem in Dextrine überführten Material Glukoamylase und Hefe für Alkoholfermentierung zusetzt, um die Fermentation zu Alkohol parallel mit der Verzuckerung durchzuführen, wodurch eine hohe Konzentration von Alkohol bei hoher Geschwindigkeit erzeugt wird.

Der zweite Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung weist folgende Verfahrensstufen auf:

Man sterilisiert Rhizome, indem man sie in verdünnte Säure eintaucht und zerkleinert sie dann wie beim ersten Prozeß, worauf man das Gewebe der Bhizome durch zugemischte Mazerierungsenzyme mazeriert; man Verzuckert die in dem mazerierten Material enthaltene Stärke durch Einwirkung von Glukoamylase und unterwirft das erhaltene Material einer Fermentierung zu Alkohol.

Da beim ersten Prozeß gemäß der Erfindung das Verfahren zum Umwandeln in Dextrine angewandt wird, das bei relativ hoher Temperatur, wie zum Beispiel 80 bis 90 C unter Zusatz von bakterieller ec-Amylase durchgeführt wird, wird die Gesamtreaktion schnell, während beim zweiten Prozeß die Reaktion ohne Überführung in Destrine und .unter milden Temperaturbedingungen im Bereich von 20 bis 45°C unter Anwendung der gemischten Enzyme für die Mazerierung des Gewebes der Rhizome und Glukoamylase zum Verzuckern der Rohstärke durchgeführt wird und daher

nicht so schnell ist, aber die Energie für die Temperaturerhöhung gespart wird, die im Falle des ersten Prozesses benötigt wird.

Erfindungsgemäß wird daher der Vorteil erreicht, daß zur Alkoholdestillation benötigte Energie gespart wird.

-οι Weitere Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.

Bei den Verfahren gemäß der Erfindung sind die als Rohmaterial verwendeten Rhizome vorzugsweise Süßkartoffeln» Kassawa-Wurzeln und/oder weiße Kartoffeln, die in großer Menge erhältlich sind. Solche Rhizome werden zur Entfernung des anhaftenden Bodens und Sandes gewaschen und anschließend in eine verdünnte Säurelösung getaucht.

Als Säure können nicht nur Mineralsäuren, wie zum Beispiel Salzsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure, sondern auch organische Säuren, wie zum Beispiel Essigsäure, verwendet werden. Die Konzentration der Säure liegt vorzugsweise im Bereich von 0,02 bis 0,08 Έ (Normalität) im Falle der Mineralsäuren und 0,04 bis 0,10 N im !alle von Essigsäure. Der pH der sauren Lösung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1,6 und 2,8. Die benötigte Eintauchzeit beträgt etwa 4- Stunden oder mehr, vorzugsweise 6 Stunden oder mehr, bei Raumtemperatur. Die Säurebehandlung ermöglicht die Sterilisierung von an Rhizomen anhaftenden Mikroben, die für

die Alkoholfermentierung schädlich sind. 25

Wenn die genannte Säuretauchbehandlung nicht durchgeführt wird, erfolgt wahrscheinlich aufgrund von Bakterien an den Rhizomen eine ungünstige Säurefermentierung, wie zum Beispiel eine Milchsäurefermentierung. Wenn zum

Beispiel süße Kartoffeln nur mit Wasser gewaschen werden, ohne sie in Säure einzutauchen, zerkleinert und direkt danach der Einwirkung von Mazerierungsenzymen unterworfen werden, worauf man bakterielle oC-Amylase dem mazerierten Material zusetzt, um die darin enthaltende Stärke in Dextrine zu überführen, saccharogenes Enzym und Hefe zur Fermentation zu Alkohol zufügt und das Gemisch der Fermentierung unterwirft, tritt aufgrund

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"L der Wirkung von kontaminierten Mikroben eine Milchsäuregährung und eine beträchtlich verzögerte Fermentierung zu Alkohol auf. Ferner erfolgte in einem anderen Beispiel nicht nur Fermentierung zu Milchsäure, sondern Fermentierung zu Buttersäure, was die Ausbeute an Alkohol beträchtlich verringerte.

Das Zerkleinern der Rhizome wird durchgeführt, um sie leicht dem Angriff von Mazerierungsenzymen auszusetzen.

Es kann mittels Maschinen, wie zum Beispiel ein^em Mixer, einer Hackmaschine, Schnitzelmaschine, Dispergiermaschine, usw. geschehen. Die Zerkleinerung wird vorzugsweise so steril wie möglich durchgeführt. Rhizome werden vorzugsweise zu möglichst feinen Teilchen, zum Beispiel solchen von etwa durchschnittlich 8 bis 20 Meshes (Maschen/2,5^ cm) zerkleinert. Die Mazerierungsenzyme können entweder beim Zerkleinern der Rhizome oder danach zugesetzt werden.

Die Mazerierungsenzyme setzen sich hauptsächlich aus Polygalakturonase, wie zum Beispiel Pektin-endopolygalakturonase, zusammen und enthalten kleine Mengen an Carboxymethylzellulase, Arabinoxylanase und Arabinogalaktanase. Als handelsübliche Produkte solcher Enzyme seien "Cellulosin AC" und "Orienzyme B" (Handelsnamen von Produkten der Ueda Chemical Industrial Co., Ltd., Japan) angeführt.

Anstelle der Enzymmittel zum Mazerieren der zerkleinerten Rhizome kann Koji von Schimmel, das die Mazerierungsenzyme erzeugt, verwendet werden. Solches Koji enthält hauptsächlich Pektinenzyme, die eine große Menge an Pektin-endopolygalakturonase enthalten. Die zuzusetzende Menge beträgt vorzugsweise 50 bis 1000 Einhexten von Pektin-endopolygalakturonase auf 100 g Rhizomen.

-Πι Die zerkleinerten Rhizome werden in einem geeigneten Reaktionsgefäß mit den Mazerierungsenzymen beim pH 5,5 bis 4,5 und einer Temperatur von 20 bis 45°C für 0,5 bis 1 h lang bebrütet. Die Hazerierungsreaktion kann entweder chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden. Die Menge an zuzusetzenden Mazerierungsenzymen oder Koji von Schimmel kann im Falle von süßen Kartoffeln 50 bis 1000 Einheiten auf 100 g Rhizomen und 1/5 "bis 1/10 der oben genannten Einheiten im Falle von weißen Kartoffeln oder Kassawa-Wurzeln betragen.

Dem mazerierten Material, das durch die Mazerierungsreaktion erhalten wird, wird dann bakterielle oC -Amylase zugesetzt, um die in dem Material enthaltene Starke in Dextrine zu überführen. Dieser Schritt wird durch Einstellen des pH des mazerierten Materials auf etwa 5 oder höher und anschließendes Erhitzen auf 80 bis 90⁰C während etwa 15 Minuten im Falle von 80⁰C und 1 bis 3 Minuten im Falle von 90⁰C durchgeführt.

Die Menge an bakterielle ©d-Amylase für diese Verarbeitungsstufe kann 4 bis 16 Einheiten pro 1 g Stärke, angegeben als Stärke verflüssigende Aktivität, betragen und das Ausmaß der Umwandlung in Dextrine beträgt Vorzugs— weise zwischen 5 und 12%, ausgedrückt im Grad der Bildung reduzierenden Zuckers. Die Reaktion der Umwandlung in Dextrine kann entweder 'chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden. Die Stufe der Zugabe von bakterieller oc-Amylase ist im Falle von weißen Kartoffeln als Rohmaterial notwendig; sie ist jedoch im Falle von Kassawa-Wurzeln oder Süßkartoffeln nicht immer nötig, wenn nicht die Fermentation in hoher Rate gewünscht wird.

Wenn ferner im Falle der weißen Kartoffel, wo der Stärkegehalt niedrig ist, die überstehende Flüssigkeit des mazerierten Materials, die durch Einwirkung der

mazerierenden Enzyme gebildet wird, vor Umwandlung in Dextrine durch die bakterielle <?6-Amylase entfernt wird, ist es möglich, eine solche höhere Konzentration an Alkohol, die entsprechend der Menge an entfernter überstehender Flüssigkeit erhöht ist, bei der folgenden Alkoholfermentation zu bekommen.

Die bei der Umwandlung in Dextrine erhaltene Flüssigkeit wird abgekühlt und dann auf übliche Weise der.

Alkoholfermentation unterworfen. Dem in Dextrine umgewandelten Material werden nämlich verzuckernde Amylase (Glucoamylase), Impfhefe für die Fermentation zu Alkohol und, falls nötig, in Abhängigkeit von den Rhizomen Nährstoffe für die Hefe zugesetzt, worauf unter den Bedingungen von zum Beispiel 25°C und einem pH von 4,5 die Fermentation abläuft. Das verzuckernde Enzym kann handelsüblich erhältliche, flüssige oder pulverförmige Glucoamylase sein, und ihre zuzusetzende Menge kann 2 bis 10 Einheiten pro 1 g in dem Rohmaterial enthaltender Stärke betragen. Die Fermentierungshefe kann irgend eine Hefe für die Fermentierung zu Alkohol, für die Sakeherstellung oder für das Brotbacken sein. Ferner ist es auch möglich, eine Hefe der GattungPickia zu verwenden, die die Fermentation zu Alkohol selbst bei 50°C oder höher durchführt. Bei der Fermentierung zu Alkohol werden vorzugsweise geringe Menge von Ammoniumsulfat, Kalliumdihydrogenphosphat, Kalziumchlorid, Magnesiumsulfat, usw. als Nährstoff für die Hefe zugesetzt.

Das gemischte Mazerationsenzymmittel, das in dem zweiten Verfahren verwendet wird, enthält Pektin-endopolygalacturonase, Zellulase, Hemicellulase, Glucoamylase und in saurem Milieu aktiveoL-Amylase. Die Mengen der jeweiligen Enzyme in dem Enzymmittel sind nicht besonders begrenzt; vorzugsweise bestehen sie jedoch auS 500 Einheiten oder mehr von Carboxymethylcellulase (CMC) als Cellulase auf 1 kg Rhizome (eine Einheit: eine enzymatische Aktivität, von de?reduzierender Zucker in

der 1 μ Mol Glucose entsprechenden Menge bei 4O°C und beim pH 4,2 in einer Minute freigesetzt wird, wenn CMC als ein Substrat verwendet wird); 100 Einheiten oder mehr Arabinoxylanase als Hemicellulase (eine Einheit: b eine enzymatische Aktivität, von der reduzierender Zucker entsprechend 1//-MoI Xylose bei 4-0⁰C in einer Minute gebildet wird, wenn Arabinoxylan von Reisstroh als Substrat verwendet wird); und 100 Einheiten oder mehr Arabinogalactanase (eine Einheit: eine enzymatische Aktivität, von der reduzierender Zucker entsprechend 1//MoI Galactose bei 40⁰C und pH 5 in einer Minute gebildet wird, wenn Arabinogalactanase der Hüllschicht von Sojabohnen als Substrat verwendet wird); 400 Einheiten oder mehr Polygalacturonase, ausgedrückt als die Pektinviskosität reduzierende Aktivität (eine Einheit: eine enzymatische Aktivität,.durch die nach dem Inkubieren von Polygalacturonase mit 10 ml 1,0%iger Zitruspektinlösung die Viskosität bei 40°C und pH 3,6 in 10 Minuten auf die Hälfte reduziert wird); 15OO oder mehr Einheiten Glucoamylase, ausgedrückt in Stärke verzuckernder Aktivität (eine Einheit: ein 1/rMol Glucose wird bei 40°C und pH 5 iß einer Minute gebildet); und 20 oder mehr Einheiten von in saurem Milieu aktiver et-Amylase, ausgedrückt als iodometrisch bestimmte Starke verzuckernde Aktivität (eine Einheit: eine enzymatische Aktivität, durch die nach dem Inkubieren von ccr-Amylase mit 10 ml einer 1%igen löslichen Stärkelösung bei pH 4,0 die Farbe bä 40°C in einer Minute auf die Hälfte verringert wurde). Was die

Mengen der oben erwähnten verwendeten jeweiligen Enzyme betrifft: Es können zwar beträchtlich höhere Mengen als die der oben angegebenen unteren Grenzen ohne Hindernis eingesetzt werden, jedoch sind überschüssige Mengen unwirtschaftlich. Daher betragen die jeweiligen oberen Grenzen vorzugsweise etwa 6000 Einheiten Cellulase, etwa 4000 Einheiten Hemicellulase (etwa 2000 Einheiten Arabinogalactanase und etwa 2000 Einheiten Arabinoxyla-

nase), etwa 8000 Einheiten Polygalacturonase, etwa 30000 Einheiten Glucoamylase und etwa 400 Einheiten von in saurem Milieu aktiver oC-Amylase. Die oben genannten gemischten Enzymmittel können im allgemeinen durch angemessenes Mischen einzelner im Handel erhältlicher Enzyme hergestellt werden, und die jeweiligen Enzyme können vorzugsweise solche sein, die von Mikroorganismen abstammen, wie zum Beispiel Cellulase, Hemicellulase, Polygalacturonase und in saurem Milieu aktive ec-Amylase, welche durch Pilze der Gattung Apergillus, wie zum Beispiel Aspergillus niger, erzeugt wurden; Glucoamylase, die durch Pilze der Gatttung Aspergillus, wie zum Beispiel Aspergillus niger oder durch die Gattung Ehizopus erzeugt wurden, usw..

Sie können solche sein, die durch Pilzkulturen der oben genannten Gattung und in Form flüssiger Enzymmittel hergestellt wurden. Da insbesondere gemischte Enzymmittel, die bis jetzt als pflanzliches Gewebe abbauende Enzyme (Mazerierungsenzyme) bekannt waren, Cellulase, ²® Hemicellulase, Polygalacturonase und in saurem Milieu aktive oC-Amylase ähnlich den in der vorliegenden Erfindung verwendeten gemischten Enzymmittel enthalten, ist es möglich, geeignete gemischte Enzymmittel herzustellen, indem man Glucoamylase den oben genannten Mazerierungsenzymen zumischt und, falls nötig, weitere unzureichende Enzyme, wie Hemicellulase, Pektinase, usw. zusetzt.

Die Mazerierungs- und Verzuckerungsbehandlung von Rhizomen mit den oben genannten gemischten Enzymmitteln

wird vorzugsweise durchgeführt, indem man die sterilisierten Rhizome mit den gemischten Enzymmittteln bei einem pH von 3,5 bis 5»0 und einer Temperatur von 20 bis 4-5⁰C, vorzugsweise 20 bis 35°C, in Kontakt bringt. Eine

überwachung des pH ist nicht immer nötig, da die 35

Sterilisierung von Rhizomen mit Säure im allgemeinen den oben genannten pH-Bereich hervorruft; wenn sie jedoch notwendig ist, können eine geeignete Mineral-

säure oder ein Alkali, zum Beispiel Natriumhydroxid, bei der Behandlung zur pH-Regulierung eingesetzt werden. Die oben genannte Temperaturbedingung ist die optimale (bis zu etwa 55°C) für Enzyme;und innerhalb des oben genannten Bereichs kann eine höhere Temperatur eine kürzere Reaktionszeit bewirken. Weiterhin wird der oben genannte Kontakt ausreichend dadurch hergestellt, daß man zerkleinerte Rhizome zusammen mit den gemischten Enzymmitteln in ein geeignetes Gefäß, das gegebenenfalls mit einer Rührvorrichtung versehen ist, gibt. Die Reaktion in dem Gefäß kann chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden; im !"alle einer kontinuierlichen Verfahrensweise ist es angebracht, so Wasser zuzusetzen, daß eine Verdünnung von etwa 0,1 bis 0,5 erhalten wird und dadurch die kontinuierliche Zufuhr von Rohmaterial und die kontinuierliche Gewinnung der Produkte erleichtert wird.

So ermöglicht es der erwähnte Kontakt, im wesentlichen die gesamte in dem Rohmaterial enthaltene Stärke zum Beispiel in 7 Tagen (168 Stunden) ohne Anwendung von bakterielleroi.-Amylase im zweiten Verfahren, oder zum Beispiel während 36 Stunden im Falle des ersten Verfahrens, wo oc-Amylase zur Stärkeverzuckerung angewendet wird, zu verzuckern. Die für die Verzuckerung nötige Zeit schwankt in Abhängigkeit von· dem verwendeten Rohmaterial, dem Mischungsverhältnis der Enzymmittel und ihrer eingesetzten Mengen und den Reaktionsbedingungen (Temperatur, pH, usw.); da jedoch die Stärkeverzuckerung durch die Enzymmittel auch noch in dem nachfolgenden Schritt der Fermentation zu Alkohol weitex'geht, kann es ausreichen, wenn die oben genannte Verzuckerungsreaktion durch den Kontakt soweit geht, daß etwa 50% des theoretisch errechneten Wertes der reduzierenden Aktivität entsprechend der von Glucose erreicht wird.

Das in der Verzuckerungsstufe erhaltene mazerierte und

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verzuckerte Material kann als Zucker für verschiedene Zweige der Nahrungsmittelindustrie verwendet werden; es ist jedoch besonders als Rohmaterial für die Fermentierung zu Alkohol, wie zum Beispiel Äthanol oder Propanole geeignet. Die Fermentierung zu Alkohol unter Verwendung des verzuckerten Materials als Rohmaterial kann auf übliche Weise durchgeführt werden, das heißt, indem man Hefe für die Fermentierung zu Alkohol und anorganische Nährstoffe für die Hefe dem verzuckerten Material zusetzt und das Gemisch einige Tage lang unter geeigneten Temperatur- und pH-Bedingungen hält, um eine gute Fermentierung zu erreichen. Die erhaltene fermentierte Maische wird dann destilliert. Die oben erwähnte Stufe der Fermentierung zu Alkohol kann zusammen mit den oben erwähnten Stufen der Mazerierung und Verzuckerung durchgeführt werden. In diesem Falle können die oben genannten' gemischten Enzymmittel und die Hefen für die Fermentierung zu Alkohol zusammen mit anorganischen Nährmitteln hierfür gleichzeitig dem verkleinerten Rohmaterial zugesetzt werden, um die durch die Mazerierung des Gewebes, die Verzuckerung der Stärke und zur gleichen Zeit die Fermentierung der Zucker durch die Hefe in einem einzigen System durchzuführen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Rhizome gewaschen und mit einer verdünnten Säure sterilisiert, worauf dem so erhaltenen Material bestimmte Enzymmittel ohne ein Kochverfahren zugesetzt werden, wodurch es

möglich ist, die Mazerierung und Verzuckerung leicht 30

und doch mit hoher Glucoseausbeute durchzuführen.

Weiter wird das verzuckerte Material der Fermentierung zu Alkohol unterworfen, wodurch es möglich ist, eine hohe Konzentration an Alkohol zu erzeugen und für

die Alkoholerzeugung benötigte Energie zu sparen. Es 35

wird angenommen, daß die oben genannten Effekte darauf beruhen, daß das Rohmaterial durch verdünnte Säure statt durch übliches Kochen sterilisiert wird,und daß be-

sondere Enzymmittel die Klebersubstanzen, wie zum Beispiel Pektinsubstanζen und manches Zellulose- und Hemizellulosematerial, das die Stärkekörner in dem Kartoffelgewebe umgibt, zersetzen, wodurch im wesentliehen die' gesamten Stärketeilchen sehr leicht durch Einwirkung von Glucoamylase verzuckert werden.

Die Verfahren gemäß der Erfindung werden unten anhand von Beispielen konkret erläutert.

!O Beispiele 1 und 2 sind auf das erste Verfahren gerichtet, während Beispiele 3 bis 6 auf das zweite Verfahren gerichtet sind.

Beispiel 1

Zwei kg Süßkartoffeln, die vorher mit Wasser gewaschen wurden, werden in eine Schwefelsäurelösung vom pH 1,8 6 Stunden lang eingetaucht und dann mit

einem Kückenmixer zerkleinert (pH: 4,2). Danach werden

1 g im Handel erhältliche Mazerierungsenzyme (Gehalt pro 1 g: 1440 Einheiten Pektinendopolygalacturonase, 990 Einheiten Carboxymethylcellulase, 590 Einheiten Arabinoxylanase und 315 Einheiten Arabinogalactanase)zugesetzt und die Reaktion wird in einem Edelstahlbehälter von

2 1 Kapazität unter gelegentlichem Rühren bei ⁰

eine Stunde lang laufengelassen j man erhalt so ein mazeriertes Material. Dann werden dem mazerierten Material Natriumhydroxid bis zum pH 5,6 zugesetzt. Anschließend werden 0,5 g einer bakteriellen ec-Amylase-Zubereitung (3500 Einheiten/g)zugesetzt, gefolgt von einer Verzuckerungsreaktion in einem abnehmbaren Edelstahlbehälter von 1 1 Kapazität, wobei das Gemisch mittels einer Walzenpumpe kontinuierlich eingespritzt wird und das entstehende Produkt kontinuierlich unter den Bedingungen einer Verweilzeit von 10 Minuten und 5 λ

85 C entnommen wird. Im Ergebnis ist die Stärke (etwa 28 Gew.-%), die in dem zerkleinerten Material enthalten war, in Dextrin überführt (Prozentsatz des Dextringe-

haltes: 11%) und die Konzentration des in Dextrineüberführten Materials betrug nahezu 31,0%, angegeben als Glucose, nach der Verzuckerung durch Glucoamylase. Das bedeutet, daß das Rohmaterial während der Überführung in Dextrine und des Verzuckerungsprozesses niemals verdünnt wurde; daher ist es möglich, das erhaltene Material so wie es ist, der nachfolgenden Fermentation zu Alkohol zu unterwerfen.

Dem in Dextrine überführten Material (flüssig) wurden pro kg 12,5 S einer Hefekultur für die Fermentierung zu Alkohol (Saccharomyces Cerevisiae Hansen Rasse XII) und als Mineralnährstoffe für.die Hefe 1,1 g Kaliumdihydrogenphospha.t, 1,5 S Ammoniumsulfat, 0,13 g Magnesiumsulfat und 0,13 g Kalziumchlorid sowie 1 g Glucoamylase (enthaltend pro g: 1200 Einheiten aktive Glucoamylase) zugegeben; anschließend wurde in einem Fermentationsgefäß des kleinen Typs (5 1 Kapazität) beim pH 4,5 und 25°C fermentiert. Als Ergebnis betrug die Alkoholkonzentration 16,9 Volumen% in 43 Stundenf es wurde also eine Fermentation zu Alkohol hoher Konzentration in kurzer Zeit erreicht.

Beispiel 2
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Zwei kg gewaschene weiße Kartoffeln werden 6 Stunden lang in eine Schwefelsäurelösung vom pH 1,8 getaucht und dann mittels eines Mixers zerkleinert; anschließend werden 0,5 S derselben Mazerierungsenzyme wie in Beispiel 1 zugesetzt. Das Geraisch wird in ein Edelstahlgefäß von 2 1 Kapazität gegeben und dann sein pH unter Rühren auf 4,5 eingestellt. Anschließend wird es eine Stunde lang bei 45°C gehalten; man erhält ein schlammartiges Material, das mittels einer Dekantierzentrifuge in seine festen und flüssigen Bestandteile getrennt wird. 2/3 der haltenen überstehenden Flüssigkeit (etwa 520 ml von 1 kg Kartoffeln) werden entfernt. Dem Rückstand wird unter Rühren Natriumhydroxid bis zum pH 5»6 zugesetzt;

anschießend werden 0,5 S derselben bakteriellen eC-Amylase wie in Beispiel il dem Gemisch zugesetzt und es wird in einem abtrennbaren Edelstahlgefäß von 1 1 Kapazität der Umwandlung zur Überführung in Dextrine unterworfen, während auch hier das Gemisch kontinuierlich mittels eins? Walzenpumpe eingespritzt wird und das erhaltene Material kontinuierlich unter den Bedingungen einer ,Verweilzeit von 5 Minuten und 88⁰C entnommen wird. Als Ergebnis beträgt der Prozentsatz der Überführung in Dextrine, bezogen auf das Rohmaterial, 12% und der Gesamtzuckergehalt des in Dextrine überführten Materials beträgt 32% 5 daher war es möglich, eine Dextrine enthaltende Flüssigkeit herzustellen, die etwa 60% höhere Konzentration besaß, als diejenige, die durch Kochen von Kartoffeln mit anschließender Umwandlung in Dextrine durch bakterielle <x-Amylase erhalten wurde.

Der so hergestellten Dextrine enthaltenden Flüssigkeit wurden dann wie in Beispiel 1 auf jeweils 1 kg Flüssigkeit 12 g Hefekultur für die Fermentation zu Alkohol (S.Cerevisiae R. XII) und 1 g Glucoamylase sowie als Mineralnährstoffe 1,1 g Kaiiumdihydrοgenphosphat, 1,5 g Ammoniumsulfat, 0,13 Magnesiumsulfat und 0,13 g Kalziumchlorid zugesetzt, worauf das Gemisch in einem Fermentationsgefäß vom kleinen Typ bei pH 4,5 und 25⁰C fermentiert wurde. Die erhaltene Alkoholkonzentration betrug 16,7 Volumen% in 44 Stunden; daher war es möglich, eine Fermentation zu Alkohol hoher Konzentration durch Verwendung weißer Kartoffeln als Rohmaterial und in einer sehr kurzen Zeit zu erhalten, was nach dem üblichen Verfahren unmöglich war.

Selbst bei Verwendung von roher Kassawa als Rohmaterial

wurden nahezu dieselben Ergebnisse erhalten. 35

Beispiel 3

Ein kg Süßkartoffeln als Rohmaterial wurde in verdünnte

Z U / b 7 b

Salzsäure beim pH 1,8 vier Stunden lang eingetaucht und unmittelbar danach mit einem Mixer zerkleinert und zerrieben, wonach 0,05 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des Rohmaterials, eines mazerxerungsenzymhaltigen Mittels (das auf 1 g 990 Einheiten Carboxymethylcellulase, 315 Einheiten Arabinogalactanase, 590 Einheiten Arabinoxylanase, 1440 Einheiten Pektinendopolygalacturonase und 69 Einheiten in saurem Milieu aktiver <#.-Amylase enthält) und 0,1 Gew.% Glucoamylse (die von Rhizopus stammt und pro 1 g 2510 Einheiten Glucoamylase enthält)suge3dztverofen;dam wird das Gemisch in einem Edelstahlgefäß von 2 1 Kapazität unter Rühren beim pH 4,8 und 40⁰C der Reaktion unterworfen. Als Ergebnis war das zerriebene Material der rohen Süßkartoffel in wenigen Stunden zu einem Schlamm zersetzt; bei weiterem Bebrüten des Gemisches unter denselben Bedingungen verläuft die Verzuckerung der Stärke in höchstens 3 Tagen und erreicht eine Bildung von reduzierendem Zucker entsprechend einem Hydrolysegrad der Stärke von 50% oder melr.

Diesem Gemisch wurden unmittelbar nach der Zugabe von Glucoamylase eine Hefekultur für die Jermentierung zu Alkohol (0,12 g Trockengewicht) sowie als mineralische Nährstoffe für die Hefe ein Gemisch aus 0,25 g Kaliumdihydrogenphosphat (KH₂PO₄), 0,6 g Ammoniumsulfat (OuIH^)₂SO₄) und 0,07 g Magnesiumsulfat (MgSO₄-TH₂O) (pH:4,0) gegeben und das erhaltene Gemisch wurde 6 Tage lang bei 23⁰C gehalten; anschließend wurde abdestilliert und dann das Äthanolvolumen in dem erhaltenen Destillat bestimmt; pro 1 kg Rohmaterial (Süßkartoffel) wurde so eine Alkoholausbeute von 146 ml, berechnet als wasserfreies Äthanol, erhalten. Diese Ausbeute entspricht der, die man erhält, wenn die gleiche Süßkartoffel als Rohmaterial auf übliche Weise gekocht, verzuckert und zu Alkohol fermentiert wird} es ist jedoch zu beachten, daß die für das erwähnte Kochen benötigte Energie (etwa 30% der gesamten für die Äthanol-

herstellung gebrauchten Energie) eingespart wurde.

Daraus ist der praktische Wert der vorliegenden Erfindung ersichtlich. Weiterhin wurde das oben beschriebene Verfahren wiederholt, wobei jedoch rohe Süßkartoffel als Rohmaterial durch die rohe Kassawa ersetzt wurde; man erhielt nahezu die gleichen Ergebnisse.

Beispiel 4 .

Ein kg rohe Süßkartoffeln wurden der Säurebehandlung

^q unterworfen, anschließend zerkleinert und zerrieben, wie in Beispiel 3» worauf man 0,05 Gew.% handelsüblich erhältlicher Mazerierungsenzyme A (enthaltend . pro g 980 Einheiten Cellulase, 350 Einheiten Arabinogalactanase, 360 Einheiten Arabinoxylanase, 280 Einheiten Pektinendoplygalacturonase und 65 Einheiten einer im saurem Milieu aktiven <sC-Amylase), 580 Einheiten Pektinendopolygalacturonase, die von dem in Beispiel 3 verwendeten Mazerierungsenzym isoliert worden war, pro 1 kg rohe Süßkartoffel, und 0,1 Gew.% Glucoamylase (die von Rhizopus abstammt und 2510 Einheiten Glucoamylase auf 1 g enthält)augibt, und dann wurde das Gemisch durch Zugabe von Hefe der iermentierung zu Alkohol unterworfen. Als Ergebnis b.etrug die Ausbeute an Äthanol, ausgedrückt als wasserfreies Äthanol, nach-7tägiger Fermentierung und Destillation 144 ml pro kg als Rohmaterial eingesetzter Süßkartoffel.

Bei Wiederholung desselben Verfahrens, jedoch ohne Zugabe von Pektinendopolygalacturonase (580 Einheiten/ kg pro roher Kartoffeln) betrug die Ausbeute an Äthanol, ausgedrückt als wasserfreies Äthanol, nach der Fermentierung zu Alkohol 101 ml pro kg Süßkartoffel.

• « · · · · · » V * ν ν hr w

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"l Beispiel 5

Anstelle der in Beispiel 3 verwendeten Mazerierungsenzyme wurden unter Verwendung von 0,05 Gew.% der handelsüblich erhältlichen Hazerierungsenzyme B(ent~ haltend je 1 kg 1000 Einheiten Cellulase, 75 Einheiten Arabinogalactanase, 85 Einheiten Arabinoxylanase, 2100 Einheiten Pektinendopolygalacturonase und 90 Einheiten einer in saurem Milieu aktiven ot-Amylase) unter weiterer Zugabe von Arabinogalactanase (120 Einheiten) und Arabinoxylanase (152 Einheiten), die beide aus den früheren Mazerierungsenzymen abgetrennt worden waren (die Einheiten sind geringer als die in. den früheren Mazerierungsenzymen), eine Zersetzung durch Mazerierung und Verzuckerung und anschließende Fermentierung zu Alkohol, wie in Beispiel 3» durchgeführt. Als Ergebnis betrug die Ausbeute an Äthanol (als wasserfreies Äthanol) nach der Fermentierung und Destillation 145 ml pro kg roher Süßkartoffel.

Wenn ferner die oben genannten Enzyme B allein verwendet wurden (das heißt Arabinogalactanase und Arabinoxylanase nicht weiterhin zugesetzt wurden),betrug die Ausbeute an Äthanol de 1 kg Süßkartoffel 105 ml.

Beispiel 6

Zehn kg rohe Süßkartoffeln wurden in eine Salzsäurelösung getaucht und dann mittels eines Mixers auf dieselbe Weise wie in Beispiel 3 zerkleinert und zerrieben, worauf eine Mischung aus 0,05% derselben Mazerierungsenzyme wie in Beispiel 3, 1»2 g einer Hefe für die Fermentierung zu Alkohol, bezogen auf ihr Trockengewicht, 2,5 g Kaliumdihydrogenphosphat (KH₂PO^), 6 g Ammoniumsulfat ((NH^^SO^) und 0,7 g Magnesiumsulfat (MgSO^'7H₂O) als mineralische Nährstoffe (pH:4,6) zugegeben wurden; dann wurde das Gemisch 5 Tage lang bei 15 bis 25⁰C gehalten. Danach wurde die gesamte fermentierte Maische destilliert und dann die Äthanolmenge

1 im Destillat bestimmt. Man erhielt eine Äthanolaus-"beute (ausgedrückt als wasserfreies Äthanol) von 1450 ml pro 1 kg roher Süßkartoffel.

Claims

GRÜNECKER. KINKELDEY. STOCKMAIR & PARTNER PATENTANWÄLTE Γ JtJ H ΚΙΝΚΕΠυνΥ (.Μ ι~ι» DW W STOCKMAIH. im .-»..»te 1U.1CO« D» K SCHUMANN, n«. ν»«» P H JAKOB t>* ι.«-. ο·« G F-mroi ο. km «»« W M! !!,TI II. im ■·«. M IIUOK WV. ι«λ .»rt rjw H Mt-.YtH t'LATH KK^ ..«> 8000 MÜNCHEN 22 MAXIMIUANSTRASSE 43 P 17 013-6VSa 2.3.1982 Anmelder: 1) MITSUI ENGINEERING & SHIPBUILDING CO.,LTD. of No.6-4, Tsukiji 5-chome, Chuo-ku, Tokyo, Japan 2) UEDA CHEMICAL INDUSTRIAL CO.,LTD. of No.2-6, Takayanagi 1-chome, Neyagawa-shi, Ohsaka, Japan 3) HANKYU KYOEI BUSSAN CO., LTD. of No.8-7, Kakuta-cho, Kita-ku, Ohsaka-shi, Ohsaka, Japan ■ Verfahren zur Verzuckerung von Rhizomen .und anschließende IPermentierung zu Alkohol Patentansprüche

1. Verfahren zur Verzuckerung von Rhizoinen und anschließende Fermentierung zu Alkohol, dadurch gekenn ζ eichn et, daß man

a) die Rhizome in eine verdünnte Säure taucht und sie so sterilisiert,

b) die sterilisierten Rhizome zerkleinert,

IU / j / b

c) zu den zerkleinerten Rhizomen hauptsächlich, aus Polygalacturonase bestehende Mazerierungsenzyme zur Mazerierung der zerkleinerten Rhizome zusetzt,

d) dem mazerierten Material eine bakterielle

ct-Amylase zur Überführung der darin enthaltenen

Stärke in Dextrine zusetzt,
und

e) dem in Dextrine überführten Material Glucoamylase als ein Verzuckerungsenzym und Hefe für die

¹^ Permentierung zu. Alkohol zur Durchführung der Verzuckerung und Fermentierung zu Alkohol zusetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rhizome weiße Kartoffeln, Süßkartoffeln und/oder Kassawawurzeln sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verdünnte Säure eine wäßrige Lösung von Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure und/oder Essigsäure ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekenn zeichn et, daß die Polygalacturonase Pektinendopolygalacturonase ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Mazerierungsenzyme zusätzlich zu der Pektinendopolygalacturonase geringe Mengen Carboxymethylcellulase, Arabinoxyla-

nase und Arabinogalactanase enthalten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekenn ζ eichnet, daß die Überführung in Dextrine durch eine bakterielle pc-Amylase bei ο

einer Temperatur von 80 bis 90 G und einem pH von 5 oder höher durchgeführt wird.

320737G

7- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn ζ e i c h η e t, daß die Mazerierung durch die Mazerierungsenzyrae "bei einer Temperatur von 20 bis 45⁰C und einem pH von 3,5 bis 5,0 durchgeführt wird.

8.. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die überstehende Flüssigkeit des mazerierten Materials, die in der Mazerierungsstufe erhalten wird, entfernt wird und der Rückstand in Dextrine überführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die als Rohmaterial eingesetzten Rhizome weiße Kartoffeln sind.
15

10. Verfahren zur Verzuckerung von Rhizomaaund anschließende Fermentierung zu Alkohol, dadurch gekenn zeichnet, daß man

a) die Rhizome in verdünnte Saure taucht, um sie zu sterilisieren;

b) die sterilisierten Rhizome zerkleinert;

c) zu den zerkleinerten Rhizomen gemischte Enzymmittel, enthaltend Cellulase, Hemicellulase, Pektinendopolygalacturonase, Glucoamylase und in saurem

Milieu aktive «L-Amylase,zum Mazerieren und Verzuckern der zerkleinerten Rhizome zusetzt und

d) Hefe für die Fermentierung zu Alkohol dem durch

die Enzymreaktionen erhaltenen Material zur Durchführung der Fermentierung zu Alkohol zusetzt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge k en nzeichnet, daß die Rhizome Süßkartoffeln und/ oder Kassawawurzeln sind.

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12. Verfahren nach Anspruch 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gemischten Enzymmittel Pilze der Gattung Aspergillus niger oder solche sind, die durch mit der obigen Gattung verwandte Schimmelpilze erzeugt wurden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gemischten Enzymmittel hauptsächlich aus Mazerierungsenzymen und Stärke verzuckernder Amylase zusammengesetzt sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13» dadurch gekenn ζ eichn et, daß die gemischten Enzymmittel pro kg Rhizome 300 Einheiten oder mehr an Carboxymethylcellulase als Cellulase, 100 Einheiten oder mehr Arabinoxylanase als Hemicellulase, 100 Einheiten oder mehr Arabinogalactanase, 400 Einheiten oder mehr Pektinendopolygalacturonase, gerechnet als die Viskosität von Pektin erniedrigende Aktivität, 1500 Einheiten Glucoamylase, gerechnet als Stärke verzuckernde Aktivität, und 20 Einheiten oder mehr der in saurem Milieu aktiven oc-Amylase, gerechnet als Stärke gelatinierende Aktivität und bestimmt durch die iodometrische Methode enthalten.

15· Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mazerierung

und Verzuckerung von Rhizomen durch Einfügung der 30

gemischten Enzymmittel bei einer Temperatur von 20 bis 45°C und einem pH von 3»5 bis 5,0 durchgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15» dadurch 35

gekennzeichnet, daß der Schritt der Permentierung zu Alkohol gleichzeitig mit dem Schritt der Mazerierung und Verzuckerung durchgeführt wird.