DE3207676C2 - Verfahren zur Verzuckerung von Rhizomen und anschließende Fermentierung zu Alkohol - Google Patents
Verfahren zur Verzuckerung von Rhizomen und anschließende Fermentierung zu AlkoholInfo
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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.
-'"> 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,
c) zu den zerkleinerten Rhizomen hauptsächlich aus
Polygalacturonase bestehende Mazerierungsenzyme zusetzt,
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
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.
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 25DC 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 (1)
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
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