Способ производства сахара - RU2477317C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу производства сахара, а более конкретно относится к способу эффективного производства сахара и этанола.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Полагают, что топливный этанол, получаемый из растений, станет альтернативным бензину жидким топливом, предотвращающим увеличение количества углекислого газа. При получении сахара и этанола из сахаросодержащего сиропа, получаемого из растений, использовали следующий способ. А именно, сначала из сахаросодержащего сиропа получали сахар. После получения сахара сахарный сироп ферментировали микроорганизмами с получением этанола (см., например, JP-A 2004-321174).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

В описанном выше способе производства сахара из сахаросодержащего сиропа необходим процесс кристаллизации. Для процесса кристаллизации необходима высокая концентрация сахара. С этой целью сахарный сироп нагревали с выпариванием воды и, таким образом, концентрировали. При этом, таким образом, при нагревании увеличивается концентрация сахара и солей в сахарном сиропе, и концентрирование действует в качестве ингибирующего фактора для ферментации. Таким образом, для получения этанола из мелассы после получения сахара необходима такая обработка как разбавление. Кроме того, описанный выше способ очень не эффективен с точки зрения энергии, так как ферментированную жидкость снова нагревают для экстракции этанола посредством дистилляции. Кроме того, в способе кристаллизации сахара существует такая проблема, как снижение выхода кристаллов сахара, если только не использовать сахарный сироп с высоким содержанием сахарозы, другими словами, сахарный сироп, в котором содержание сахарозы как сырья сахара является высоким относительно общего количества сахара, включая сахара, не являющиеся сахарозой и не являющиеся сырьем сахара. Таким образом, существует проблема, заключающаяся в том, что сахар нельзя получить, например, в период или из сорта с низким содержанием сахарозы.

Задача настоящего изобретения состоит в создании способа эффективного производства сахара и эффективного производства этанола одновременно.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧ

Настоящее изобретение относится к способу производства сахара, который включает: предварительную стадию ферментации сахаросодержащего сока, полученного из растения, посредством микроорганизмов, не продуцирующих сахаразы; и стадию получения сахара из ферментированного сахаросодержащего сиропа. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу производства сахара, который включает: предварительную стадию ферментации сахаросодержащего сока, полученного из растения, посредством микроорганизмов в присутствии ингибитора сахаразы; и стадию получения сахара из ферментированного сахаросодержащего сиропа.

ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В способе по изобретению ферментируется сахарный сироп с низкой концентрацией сахара и солей. Таким образом, становится возможным эффективное получение этанола.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 представлена схема способа, использованного в примере 1.

На Фиг.2 представлена схема, иллюстрирующая баланс масс в способе, использованном в примере 1.

На Фиг.3 представлена схема, иллюстрирующая баланс масс в способе, использованном в примере 2.

На Фиг.4 представлена схема, иллюстрирующая баланс масс в способе, использованном в примере 3.

На Фиг.5 представлен график результатов исследования ферментации сиропов, отжатых из сахаросодержащего тростника, с применением дрожжей, не содержащих сахаразы, и дрожжей, содержащих разрушенный ген сахаразы.

На Фиг.6 представлен график результатов теста ферментации сиропов, отжатых из сахаросодержащего тростника, с применением ингибитора сахаразы.

ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ производства сахара по изобретению относится к этапу предварительной обработки, представляющему собой ферментирование сахаросодержащего сиропа, получаемого из растений посредством микроорганизмов, не имеющих сахаразы, или к этапу предварительной обработки, представляющему собой ферментирование сахаросодержащего сиропа, получаемого из растений посредством микроорганизмов в присутствии ингибитора сахаразы. Поскольку сахарный сироп ферментируют при таких условиях, сахароза не расщепляется, а этанол и т.д. образуется только из инвертированных сахаров, таких как глюкоза и фруктоза. В результате увеличивается доля сахарозы в сахарном сиропе, и, таким образом, повышается эффективность кристаллизации сахара. При этом в традиционном способе существует проблема трудности кристаллизации сырья с высоким содержанием сахаров, не являющихся сахарозой, и низким содержанием сахарозы (что связано с сортом и периодом сбора урожая). Однако в способе производства сахара по настоящему изобретению сахарá, не являющиеся сахарозой, расходуются в ходе ферментации, и, таким образом, доля сахарозы увеличивается. Таким образом, можно кристаллизовать даже сырье с низким содержанием сахарозы. Это приводит к расширению спектра сортов сахаросодержащего тростника, которые можно использовать, и удлинению периода сбора урожая. Кроме того, в традиционном способе при получении сахара азот и сахара образуют соединения друг с другом, окрашивая мелассу. Это приводит к проблеме окрашивания отработанной воды. Однако в способе производства сахара по настоящему изобретению в ходе ферментации азот расходуется, таким образом, уменьшая окраску мелассы. Кроме того, в традиционном способе получение занимает много времени (приблизительно от 48 до 72 часов), так как после получения сахара весь сахар с высокой концентрацией необходимо превратить в этанол. Ферментацию также ингибирует концентрация соли. Однако в способе производства сахара по настоящему изобретению сахар с низкой концентрацией ферментируется. Таким образом, ферментация завершается в короткий период времени с меньшей концентрацией соли. Таким образом, можно значительно сократить время производства.

Примеры растений включают растения, которые накапливают сахара, такие как сахарный тростник и сахарная свекла. Предпочтительным является сахарный тростник.

Стадию подготовки сахаросодержащего сиропа, получаемого из растений, можно осуществлять способами, известными специалистам в данной области, например, способом отжима. А именно, стеблевые части срезанного сахаросодержащего тростника нарезают на куски длиной от 15 до 30 см посредством режущего инструмента и мелко измельчают на шреддере. Сахаросодержащий сок отжимают посредством вальцовой мельницы. Для повышения эффективности отжима сахаров в конечный валик мельницы наливают воду, и происходит отжим от 95 до 97% сахара. Затем в ванне для перемешивания извести к сиропу добавляют известь. После агрегации и выпадения в осадок примесей осадок и очищенную жидкость отделяют друг от друга посредством ротационного фильтра Оливера. Очищенную жидкость концентрируют выпариванием. Полученный сахарный сироп в основном содержит сахарозу, глюкозу, фруктозу и т.п.

Примеры микроорганизмов, не содержащих сахаразы, включают Saccharomyces dairenensis NBRC 0211, Saccharomyces transvaalensis NBRC 1625, Saccharomyces rosinii NBRC 10008, Zygosaccharomyces bisporus NBRC 1131 и т.п. При этом среди микроорганизмов, содержащих сахаразу, возможно использование штаммов микроорганизмов-грибов, шесть генов сахаразы которых (SUC1, SUC2, SUC3, SUC4, SUC6, SUC7) полностью или частично разрушены посредством генетической инженерии.

Примеры ингибиторов сахаразы включают ионы серебра, ионы меди, ионы ртути, ионы свинца, метил-α-D-глюкопиранозид, PCMB (п-хлорртутьбензоат), глюкозил-D-псикозу и т.п.

Ферментацию можно проводить способами, известными специалистам в данной области. Примеры таких способов включают порционный способ, в котором ферментирующие микроорганизмы и сахарный сироп смешивают в заданном соотношении для ферментации, непрерывный способ, в котором ферментирующие микроорганизмы иммобилизуют, а затем к ним непрерывно добавляют сахарный сироп для ферментации и т.п.

Затем способ производства сахара по настоящему изобретению включает стадию получения сахара из ферментированного сахаросодержащего сиропа. Сахар можно получать из ферментированного сахаросодержащего сиропа способами, известными специалистам в данной области. Примеры таких способов включают кристаллизацию сахара и т.п. А именно, ферментированный сахарный сироп повторно нагревают и концентрируют маленькими порциями (от 0,5 до 1 кл) при пониженном давлении посредством отсасывания. Кристаллы сахара определенного размера или более отбирают. Затем кристаллы сахара и сахарный сироп отделяют друг от друга посредством центрифуги.

Способ производства сахара по настоящему изобретению перед получением сахара из ферментированного сахаросодержащего сиропа может включать стадию выделения этанола из ферментированного сахаросодержащего сиропа. Этанол можно выделять из ферментированного сахаросодержащего сиропа способами, известными специалистам в данной области. Примеры включают отделение этанола посредством перегонки. Если этанол отделяют посредством перегонки, происходит одновременная концентрация сахаросодержащего сиропа. Таким образом, при получении сахара исчезает необходимость повторного проведения нагревания и концентрирования. Таким образом, можно сохранить время и энергию.

Примеры

(Пример 1: проверка способа для случая использования сахаросодержащего тростника в качестве сырья и дрожжей, не содержащих сахаразы)

(1) Стадия отжима

Стеблевые части тростника массой 3200 г, полученные из сахаросодержащего тростника (NiF8) после сбора урожая, измельчали на шреддере и затем отжимали посредством четырехвальцовой мельницы. Таким образом, получали 3114 мл отжатого сиропа (масса отжатого сиропа = 3348 г, содержание сахарозы = 563 г, содержание инвертированного сахара = 65 г, доля сахарозы = 79,4%).

(2) Стадии очистки/ферментации

Отжатый сироп переносили в 5-литровый ферментер, куда для корректирования pH и агрегации примесей добавляли гидроксид кальция Ca(OH)₂, составлявший 0,05% по массе относительно массы отжатого сиропа. Затем туда высевали 0,3 г сухой массы дрожжей Saccharomyces dairenensis, не содержащих сахаразы, с ферментацией этанола в анаэробных условиях при 30°C в течение 3 часов. Использовали дрожжи, предварительно культивированные в среде YM. После завершения ферментации дрожжи и агрегированные примеси фильтровали через фильтр. Таким образом, отделяли ферментированную жидкость объемом 3080 мл (масса отжатого сиропа = 3288 г, концентрация этанола = 1,17% об., содержание сахарозы = 558 г, содержание инвертированного сахара = 0 г).

(3) Стадии перегонки этанола/концентрации сахаросодержащего сиропа

Ферментированную жидкость нагревали при пониженном давлении и охлаждали и собирали 28,6 г выпаренного таким образом этанола. Затем последовательно выпаривали 2193 мл воды. Таким образом, получали 837 мл концентрированного сахаросодержащего сиропа (масса сахаросодержащего сиропа = 1066 г, содержание сахарозы = 558 г, содержание инвертированного сахара = 0 г, доля сахарозы = 93,8%).

(4) Стадия кристаллизации

Половину сахаросодержащего сиропа экстрагировали, а затем нагревали при пониженном давлении и концентрировали, пока перенасыщение сахарозой не достигало 1,2. Затем добавляли 50 г затравочных кристаллов сахара (размер частиц 250 мкм), и в течение приблизительно 3 часов формировался кристалл, в то время как маленькими порциями добавляли остаток концентрированного сахаросодержащего сиропа.

(5) Стадия разделения сахара-сырца/мелассы

Смесь кристаллизованного сахара и мелассы центрифугировали в центрифуге с перфорированной стенкой с применением фильтровальной ткани от 50 мкм до 100 мкм меш при 3000 об/мин в течение 20 минут. Таким образом, друг от друга отделяли 371 г сахара (доля выделенной сахарозы = 65,9%, исключая добавленные затравочные кристаллы) и 234 г мелассы (содержание сахарозы = 151 г, содержание инвертированного сахара = 0 г, доля сахарозы = 87,4%).

На Фиг.1 представлена схема способа получения, на Фиг.2 представлен результат баланса масс.

(Пример 2: проверка способа для случая использования сахаросодержащего тростника в качестве сырья и штамма с разрушенным геном сахаразы)

(1) Стадия отжима

Стеблевые части тростника массой 3200 г, полученные из сахаросодержащего тростника (NiF8) после сбора урожая, измельчали на шреддере и затем отжимали посредством четырехвальцовой мельницы. Таким образом, получали 3000 мл отжатого сиропа (масса отжатого сиропа = 3264 г, содержание сахарозы = 546 г, содержание инвертированного сахара = 60 г, доля сахарозы = 78,9%).

(2) Стадии очистки/ферментации

Отжатый сироп переносили в 5-литровый ферментер, в который для корректирования pH и агрегации примесей добавляли гидроксид кальция Ca(OH)₂, составлявший 0,05% по массе относительно массы отжатого сиропа. Затем туда высевали 0,3 г сухой массы штамма дрожжей Saccharomyces cervisiae BY4742 с разрушенным геном сахаразы SUC2c с ферментацией этанола в анаэробных условиях при 30°C в течение 3 часов. Использовали штаммы с разрушенным геном, предварительно культивированные в среде YM. После завершения ферментации дрожжи и агрегированные примеси фильтровали через фильтр. Таким образом, отделяли ферментированную жидкость объемом 2986 мл (масса отжатого сиропа = 3180 г, концентрация этанола 1,38% об., содержание сахарозы = 546 г, содержание инвертированного сахара = 0 г).

(3) Стадии перегонки этанола/концентрации сахаросодержащего сиропа

Ферментированную жидкость нагревали при пониженном давлении и охлаждали и собирали 32,8 г выпаренного таким образом этанола. Затем последовательно выпаривали 2083 мл воды. Таким образом, получали 860 мл концентрированного сахаросодержащего сиропа (масса сахаросодержащего сиропа = 1065 г, содержание сахарозы = 546 г, содержание инвертированного сахара = 0 г, доля сахарозы = 87,1%).

(4) Стадия кристаллизации

Половину сахаросодержащего сиропа экстрагировали, а затем нагревали при пониженном давлении и концентрировали, пока перенасыщение сахарозой не достигало 1,2. Затем добавляли 50 г затравочных кристаллов сахара (размер частиц 250 мкм), и в течение приблизительно 3 часов формировался кристалл, в то время как маленькими порциями добавляли остаток концентрированного сахаросодержащего сиропа.

(5) Стадия разделения сахара-сырца/мелассы

Смесь кристаллизованного сахара и мелассы центрифугировали в центрифуге с перфорированной стенкой с применением фильтровальной ткани от 50 мкм до 100 мкм меш при 3000 об/мин в течение 20 минут. Таким образом, друг от друга отделяли 351 г сахара (доля выделенной сахарозы = 64,3%: исключая добавленные затравочные кристаллы) и 239 г мелассы (содержание сахарозы = 123 г, содержание инвертированного сахара = 23 г, доля сахарозы = 65,8%).

На Фиг.3 представлен результат баланса масс.

(Пример 3: проверка способа для случая использования сахаросодержащего тростника в качестве сырья и ингибитора сахаразы)

(1) Стадия отжима

Стеблевые части тростника массой 3200 г, полученные из сахаросодержащего тростника (NiF8) после сбора урожая, измельчали на шреддере и затем отжимали посредством четырехвальцовой мельницы. Таким образом, получали 2868 мл отжатого сиропа (масса отжатого сиропа = 3120 г, содержание сахарозы = 524 г, содержание инвертированного сахара = 61 г, доля сахарозы = 78,3%).

(2) Стадии очистки/ферментации

Отжатый сироп переносили в 5-литровый ферментер, куда для корректирования pH и агрегации примесей добавляли гидроксид кальция Ca(OH)₂, составлявший 0,05% по массе относительно массы отжатого сиропа. Затем туда добавляли метил-α-D-глюкопиранозид с концентрацией 60 мМ, действующий в качестве ингибитора сахаразы, и высевали 0,6 г сухой массы дрожжей Saccharomyces cervisiae (штамм Taiken 396), содержащих сахаразу, с ферментацией этанола в анаэробных условиях при 30°C в течение 6 часов. Использовали дрожжи, предварительно культивированные в среде YM. После завершения ферментации дрожжи и агрегированные примеси фильтровали через фильтр. Таким образом, отделяли ферментированную жидкость объемом 2870 мл (масса отжатого сиропа = 3064 г, концентрация этанола 6,20% об., содержание сахарозы = 252 г, содержание инвертированного сахара = 0 г).

(3) Стадии перегонки этанола/концентрации сахаросодержащего сиропа

Ферментированную жидкость нагревали при пониженном давлении и охлаждали, и собирали 150 г выпаренного таким образом этанола. Затем последовательно выпаривали 2494 мл воды. Таким образом, получали 330 мл концентрированного сахаросодержащего сиропа (масса сахаросодержащего сиропа = 420 г, содержание сахарозы = 252 г, содержание инвертированного сахара = 0 г, доля сахарозы = 94,0%).

(4) Стадия кристаллизации

Половину сахаросодержащего сиропа экстрагировали, а затем нагревали при пониженном давлении и концентрировали, пока перенасыщение сахарозой не достигало 1,2. Затем добавляли 50 г затравочных кристаллов сахара (размер частиц 250 мкм), и в течение приблизительно 3 часов формировался кристалл, в то время как маленькими порциями добавляли остаток концентрированного сахаросодержащего сиропа.

(5) Стадия разделения сахара-сырца/мелассы

Смесь кристаллизованного сахара и мелассы центрифугировали в центрифуге с перфорированной стенкой с применением фильтровальной ткани от 50 мкм до 100 мкм меш при 3000 об/мин в течение 20 минут. Таким образом, друг от друга отделяли 203 г сахара (доля выделенной сахарозы = 29,2%: исключая добавленные затравочные кристаллы) и 151 г мелассы (содержание сахарозы = 88 г, содержание инвертированного сахара = 0 г, доля сахарозы = 81,0%).

На Фиг.4 представлен результат баланса масс.

(Пример 4: тест ферментации сиропа, отжатого из сахаросодержащего тростника для случая использования дрожжей, не содержащих сахаразы)

В сироп, отжатый из сахаросодержащего тростника, высевали S. dairenensis (NBRC 0211), S. transvaalensis (NBRC 1625), S. rosinii (NBRC 10008), Z. bisporus (NBRC 1131), представляющие собой дрожжи, не содержащие сахаразы, и штамм (BY4742 SUC2-) дрожжей S. cervisiae BY4742 с разрушенным геном сахаразы. Тест ферментации проводили, чтобы подтвердить, что сахароза не расщепилась, а в этанол превратились только инвертированные сахара. В качестве эталона для сравнения аналогичный тест ферментации проводили с применением дрожжей S. cervisiae (штамм Taiken 396), содержащих сахаразу.

Все использованные для ферментации штаммы грибов предварительно культивировали посредством встряхивания в 5 мл среды YM при 30°C в течение 24 часов и затем далее предварительно культивировали посредством встряхивания в 300 мл среды YPD при 30°C в течение 12 часов. Дрожжи собирали из среды для предварительного культивирования посредством центрифугирования. Дрожжи суспендировали для ферментации в 100 мл отжатого сиропа (концентрация сахарозы в отжатом сиропе составляла 12,0%, концентрация инвертированных сахаров составляла 3,0%), помещенного в 300-мл колбу Эрленмейера с водяным затвором для ферментера. Ферментацию проводили посредством встряхивания при 30°C при 120 об/мин. На Фиг.5 представлен рассмотренный результат изменения во времени концентрации сахара и этанола в результате ферментации.

Для S. cervisiae (штамм Taiken 396), представляющих собой обычные дрожжи, в результате действия сахаразы почти вся сахароза расщепилась на инвертированные сахара в течение 3 часов после начала ферментации. В течение 24 часов все сахара превратились в этанол.

При этом для четырех штаммов дрожжей, не содержащих сахаразы, и штамма с разрушенным геном сахаразы, хотя скорость синтеза этанола варьировала среди них, расщепление сахарозы не наблюдалось ни в одном из случаев, что подтверждало то, что только инвертированные сахара превратились в этанол.

(Пример 5: тест ферментации сиропа, отжатого из сахаросодержащего тростника для случая использования ингибитора сахаразы)

S. cervisiae (Штамм Taiken 396), представляющие собой обычные дрожжи, содержащие сахаразу, высевали в отжатый из сахаросодержащего тростника сироп. Туда добавляли метил-α-D-глюкопиранозид в концентрации 60 мМ, действующий в качестве ингибитора сахаразы. Тест ферментации проводили для изучения изменения во времени концентрации сахарозы, инвертированных сахаров и этанола.

Использованный для ферментации штамм грибов предварительно культивировали посредством встряхивания в 10 мл среды YM при 30°C в течение 24 часов и затем далее предварительно культивировали посредством встряхивания в 500 мл среды YPD при 30°C в течение 12 часов. Дрожжи собирали из среды для предварительной культивации посредством центрифугирования. 100 мл отжатого сиропа (концентрация сахарозы в отжатом сиропе составляла 10,0%, концентрация инвертированных сахаров составляла 3,0%) и 60 мМ метил-α-D-глюкопиранозида помещали в 300-мл колбу Эрленмейера с водяным затвором для ферментера. Дрожжи, собранные из среды для предварительной культивации посредством центрифугирования, добавляли в колбу для ферментации. Ферментацию проводили посредством встряхивания при 30°C при 120 об/мин. На Фиг.6 представлен рассмотренный результат изменения во времени концентрации сахара и этанола в результате ферментации.

Для S. cervisiae (Штамм Taiken 396), которые представляют собой обычные дрожжи, в условиях отсутствия ингибитора сахаразы в результате действия сахаразы почти вся сахароза расщепилась на инвертированные сахара через 6 часов после начала ферментации и затем превратилась в этанол. Поскольку скорость расщепления сахарозы была выше скорости расходования инвертированных сахаров дрожжами, сахароза полностью расходовалась к тому времени, когда расходовались инвертированные сахара, и, таким образом, доля сахарозы увеличилась. Таким образом, подтвердили, что получение сахара из ферментированной жидкости не возможно.

При этом в условиях наличия ингибитора скорость расщепления сахарозы была низкой, и через 6 часов после начала ферментации оставалась приблизительно половина сахарозы, тогда как все инвертированные сахара превратились в этанол. Доля сахарозы в ферментированной жидкости достигала 94,0% через 8 часов после начала ферментации. Доля сахарозы в ферментированной жидкости позволит легко провести кристаллизацию сахара.

Реферат

Способ одновременного производства сахара и этанола включает извлечение сахаросодержащего сока из подходящего растения, одновременное ферментирование и очистку сахаросодержащего сока, одновременную перегонку этанола и концентрирование сахаросодержащего сока, кристаллизацию полученного концентрата сахаросодержащего сока с получением сахара. Ферментирование сахаросодержащего сока осуществляют с использованием штаммов дрожжей Saccharomyces или Zygosaccharomyces, не продуцирующих фермент сахаразу, или штамма Saccharomyces cerevisiae BY4742 с разрушенным геном сахаразы SUC2c, или штамма Saccharomyces cerevisiae Taiken 396 в присутствии метил-α-D-глюкопиранозида. Условия ферментации позволяют увеличить долю сахарозы в сахарном сиропе за счет расходования в ходе ферментации сахаров, не являющихся сахарозой. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил., 5 пр.

Формула