DE3207676C2

DE3207676C2 - Verfahren zur Verzuckerung von Rhizomen und anschließende Fermentierung zu Alkohol

Info

Publication number: DE3207676C2
Application number: DE3207676A
Authority: DE
Inventors: Shozo Osaka Ito; Kazuo Nishinomiya Hyogo Kakutani; Yoshikazu Nara Matsumura; Michihiko Takaishi Osaka Nojiri; Takehiko Izumi Osaka Yamamoto
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1981-03-14
Filing date: 1982-03-03
Publication date: 1983-11-17
Also published as: DE3207676A1; AU8137882A; NL8200606A; JPH0260317B2; BR8201351A; AU552943B2; US4474883A; JPS57152888A; DK109882A

Abstract

Um für die Alkoholerzeugung benötigte Wärmeenergie einzusparen, werden Verfahren zum enzymatischen Hydrolysieren von Rhizomen ohne übliches Kochen mit Dampf zur Verfügung gestellt, um ein verzuckertes Material hoher Konzentration zu erhalten, das anschließend der Fermentierung zu Alkohol unterworfen wird. Das erste Verfahren beinhaltet ein Tauchen der rohen Rhizome in verdünnte Säure, um sie zu sterilisieren, gefolgt von einem Zerkleinern der sterilisierten Rhizome, Mazerieren der zerkleinerten Rhizome, Überführen des mazerierten Materials durch Einwirkung von bakterieller α-Amylase in Dextrine und Zugabe von Glucoamylase und Hefe für die Fermentierung zu Alkohol zum in Dextrine überführten Material, um dessen Verzuckerung und anschließende Fermentierung zu Alkohol durchzuführen. Das zweite Verfahren umfaßt das Sterilisieren der Rhizome mit verdünnter Säure und anschließendem Zerkleinern, worauf gemischte Mazerierungsenzyme zugesetzt werden, um die Mazerierung und Verzuckerung, gefolgt von Fermentierung mit Hefe zu Alkohol, durchzuführen.

Description

a) die Rhizome zu ihrer Sterilisierung' einige Stunden bei Raumtemperatur in eine verdünnte Säure taucht,

b) die sterilisierten Rhizome zerkleinert,

c) zu den zerkleinerten Rhizomen hauptsächlich aus Polygalacturonase bestehende Mazerierungsenzyme zusetzt,

d) dem mazerierten Material bakterielle alpha-Amyiase zusetzt und

e) dem in Dextrine überführten Material Glucoamylase und Hefe zusetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als verdünnte Säure eine wäßrige Lösung von Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure und/oder Essigsäure einsetzt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man a!s Polygalacturonase Pectinendopolygalacturonase einsetzt

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Pectinendopolygalacturonase einsetzt die zusätzlich geringe Mengen Carboxymethylcellulase, Arabinoxylanase und Arabinogalactanase enthält.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verzuckern von Rhizomen mit anschließender Fermentierung zu Alkohol unter Zerkleinerung der Rhizome, unter Verwendung von bakterieller alpha-Amylase zur Überführung der Stärke in Dextrine, von Glucoamylase als Verzuckerungsenzym und von Hefe für die Fermentierung zu Alkohol.

Bisher wurden nach üblichen Verfahren zur Verzukkerung von Rhizomen, wie zum Beispiel Süßkartoffeln. Kassawawurzeln und übliche Kartoffeln, und nachfolgende Fermentation zu Alkohol solche Rohmaterialien zur Gelatinisierung von Stärke einmal gekocht, anschließend wurde «-Amylase zur Einwirkung auf die gelatinisierte Stärke zugegeben, um diese in Dextrin umzuwandeln, das nach Verzuckerung der Fermentierung zu Alkohol unterworfen wurde.

Jedoch besitzen solche üblichen Verfahren Nachteile; es wurden Ausrüstungen großer Dimensionen, wie zum Betspiel Hochdruckkochkessel, benötigt und ebenso war eine große Wärmemenge zum Kochen notwendig. Insbesondere erhöhte eine solche Wärmemenge und diejenige, die zum Abdestillieren von Äthanol aus der 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/cm² 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 Zuführsubstrat 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

m wird, benötigte Wärmemenge erhöht und die Ausbeute an Alkoholprodukt, bezogen auf die Einheit einer Wärmemenge, verringert Nach üblichen Verfahren betrug die für die Alkoholdestillation benötigte Menge an Wärmeenergie sogar die Hälfte der Verbrennungs-

!'■ energie des Alkohols.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei deiW Rhizome ohne übliches Kochen der Enzymolyse unterworfen werden, wobei eine hohe Konzentration an verzucker tem 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 Rhizome nicht 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 Durchführung der Sterisilierung von Rhizomen als Rohmaterial durchgeführt die von der

jo 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

J3 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

•to Rhizomen zur Bildung einer Aufschlämmung zugesetzt werden und der Aufschlämmung dann verflüssigende Ä-Amylase zugesetzt wird, gefolgt von einer leichten Erwärmung zur Verzuckerung von Stärke, die Verzukkerung durch Glucoamylase 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

■jo mit einer bakteriellen «-Amylase, ein System hoher Konzentration von Fermentierung zu Alkohol erhalten werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist daher im Verfahren der eingangs genannten Gattung, das dadurch gekennzeich net ist, daß man

a) die Rhizome zu ihrer Sterilisierung einige Stunden bei Raumtemperatur in eine verdünnte Säure taucht,

b) die sterilisierten Rhizome zerkleinert,

d) dem mazerierten Material bakterielle alpha-Amylase zusetzt, und

e) dem in Dextrine überführten Material Glucoamylase und Hefe zusetzt.

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

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 N (Normalität) im Falle der Mineralsäuren und 0,04 bis 0,10N im Falle 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.'Qie Säurebehandlung ermöglicht die Sterilisierung von an Rhizomen anhaftenden Mikroben, die für die Alkoholfermentierung schädlich sind.

Vorzugsweise verwendet man als verdünnte Säure eine wäßrige Lösung von Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure und/oder Essigsäure.

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 daaach de-, Einwirkung von Mazerierungsenzymen unterwerfon werden, worauf man bakterielle oc-Amylase dem mazer*: .xten 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 der Wirkung von kontaminierten Mikroben eine Milchsäuregärung 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 einem 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 Maschen/2,54 cm zerkleinert Die Mazerierungsenzyme können entweder beim Zerkleinern der Rhizome oder danach zugesetzt werden.

Die Mazerierungsenzyme setzen sich hauptsächlich aus Polygalacturonase, wie zum Beispiel Pectinendopolygalacturonase, zusammen und enthalten kleine Mengen an Carboxymethylcellulase, Arabinoxylanase und Arabinogalactanase.

Als Enzymmittel zum Mazerieren der zerkleinerten Rhizome kann auch Koji von Schimmel, das die Mazerierungsenzyme erzeugt, verwendet werden. Solches Koji enthält hauptsächlich Pectinenzyme, die eine große Menge an Pectinendopolygalacturonase enthalten. Die zuzusetzende Menge beträgt vorzugsweise 50 bis 1000 Einheiten von Pectinendopolygalacturonase

auf 100 g Rhizomen.

Die zerkleinerten Rhizome werden in einem geeigneten Reaktionsgefäß mit den Mazerierungsenzymen beim pH 3,5 bis 4,5 und einer Temperatur von 20 bis 45° C für 0,5 bis 1 h lang bebrütet Die Mazerierungsreaktion kann entweder chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden. Die Menge an zuzusetzenden Mazerierungsenzymen oder Koji von Schimmel Hnn im Falle von süßen Kartoffeln 50 bis 1000 Einheiten auf 100 g Rhizomen und '/5 bis V₁O 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 Λ-Amylase zugesetzt, um die in dem Material enthaltene Stärke 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 90° C während etwa 15 Minuten im Falle von 8O⁰C und 1 bis 3 Minuten im Falle von 90° C durchgeführt

Die Menge an bakterielle a-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 vorzugsweise zwischen 5 und 12%, ausgedrückt im Grad der Bildung, reduzierenden Zuckers. Die Reaktion der Umwandlung in Dextrine kann entweder chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden.

Wenn 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 «-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 wird Glucoamyiase, 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 pulverformige Glucoamyiase 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 Gattung Pichia zu verwenden, die die Fermentation zu Alkohol selbst bei 30°C oder höher durchführt Bei der Fermentierung zu Alkohol werden vorzugsweise geringe Mengen von Ammoniumsulfat, Kalliumdihydrogenphosphat, Kalziumchlorid, Magnesiumsulfat, usw. als Nährstoff für die Hefe zugesetzt

So ermöglicht es der erwähnte Kontakt, im wesentlichen die gesamte in dem Rohmaterial enthaltene Stärke 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 Reaktionsbedigungen (Temperatur, pH, usw.); da jedoch die Stärkeverzuckerung durch die Enzymmittel auch noch in dem nachfolgenden Schritt der Fermente-

tion zu Alkohol weitergeht, 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 verzuckerte Material ist als Rohmaterial für die Fermentierung zu Alkohol, wie zum Beispiel Äthanol oder Propanol, vorgesehen.

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, !n diesem Falle können die oben genannten gemischten Enzymmittel und die Hefen für die Fermentiening 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.

Es wird angenommen, daß die beobachteten Effekte des erfindungsgemäßen Verfahrens auch darauf beruhen, daß zum Beispiel Pectinsubstanzen und manches Zellulose- und HemizelluIosemateriaL, das die Stärkekörner in dem Kartoffelgewebe umgibt, enzymatisch abgebaut werden, wodurch im wesentlichen die gesamte Stärke sehr leicht verzuckert wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen konkret erläutert

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 Küchenmixer zerkleinert (pH: 4,2). Danach werden 1 g im Handel erhältliche Mazerierungsenzyme (Gehalt pro 1 g: 1440 Einheiten Pectinendopolygalacturonase, 9"0 Einheiten Carboxymethylcellulase, 390 Einheiten Arabinoxylanase und 315 Einheiten Arabinogalactanase) zugesetzt und die Reaktion wird in einem Edelstahlbehälter von 21 Kapazität unter gelegentlichem Rühren bei 45°C eine Stunde lang laufengelassen; man erhält so ein mazeriertes Material. Dann werden dem mazerierten Material Natriumhydroxid bis zum pH 5,6 zugesetzt Anschließend werden 0,5 g einer bakteriellen «-Amylase-Zubereitung (3500 Einheiten/g) zugesetzt, gefolgt von einer Verzuckerungsreaktion in einem abnehmbaren Edeheahlbehälter 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 85°C entnommen wird. Im Ergebnis isi die Stärke (etwa 28 Gew.-%), die in dem zerkleinerten Material enthalten war, in Dextrin überführt (Prozentsatz des Dextringehaltes: 11 %) und die Konzentration des in Dextrine überführten Materials betrug nahezu 31,0%, angegeben als Glucose, nach der Verzuckerung durch Glucoamylase. Das bedeutet, daß dao 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 g einer Hefekultur für die Fermectierung zu Alkohol (Saccharomyces cerevisiae Hansen Rasse XII) und als Mineralnährstoffe für die Hefe 1,1 g Kaliumdihydrogenphosphat, 1 5 g 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 (51 Kapazität) beim pH 4,5 und 25° C fermentiert Als Ergebnis betrug die Alkoholkonzentration 16,9 VoIumen-% in 43 Stunden; es wurde also eine Fermentation zu Alkohol hoher Konzentration in kurzer Zeit erreicht.

Beispiel 2

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 g derselben Mazerierungsenzyme wie in Beispiel 1 zugesetzt Das Gemisch wird in ein Edelstahlgefäß von 2 I Kapa/siät 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. V3 der erhaltenen überstehenden Flüssigkeit (etwa 520 ml von 1 kg Kartoffeln) werden entfernt Dem Rückstand wird unter Rühren Natriumhydroxid bis zum pH 5,6 zugesetzt; anschließend werden 0,5 g derselben bakteriellen «-Amylase wie in Beispiel 1 dem Gemisch zugesetzt und es wird in einem abtrennbaren Edelstahlgefäß von 11 Kapazität der Umwandlung zur Oberführung in Dextrine unterworfen, während auch hier das Gemisch kontinuierlich mittels einer 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%; 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 a-Amylase erhalten wurde.

Der so hergestellten Dextrine enthallenden 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 Mintralnährstoffe 1,1 g Kaliumdihydrogenphosphat, 1,5 g Ammoniumsulfat, 0,13 g Magnesiumsulfat und 0,13 g Kalziumchlorid zugesetzt worauf das Gemisch in einem Fermentationsgefäß bei pH 4,5 und 25^DC fermentiert wurde. Die erhaltene Alkohoikonzentration betrug 16,7 Vo!umen-% 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.

Claims

Patentansprüche:

1. V^ rfahren zur Verzuckerung von Rhizomen und anschließende Fennentierung zu Alkohol unter Zerkleinerung der Rhizome, unter Verwendung von bakterieller alpha-Araylase zur Überführung der Stärke in Dextrine, von Glucoamylase als Verzuckerungsenzym und von Hefe für die Fennentierung zu Alkohol, dadurch gekennzeichnet, daß man