Un proceso para la producción de un producto alcohólico que comprende las fases secuenciales de:

(a) proporcionar una pasta que comprende agua y almidón granular, (b) mantener dicha pasta en presencia de una alfa-amilasa ácida y una glucoamilasa a una temperatura de 0ºC a 20ºC por debajo de la temperatura de gelatinización inicial de dicho almidón granular durante un periodo de 5 minutos a 12 horas, (c) mantener dicha pasta en presencia de una alfa-amilasa ácida y una glucoamilasa y una levadura a una temperatura entre 10ºC y 35ºC durante un periodo de 20 a 250 horas para producir etanol y, (d) opcionalmente, recuperar el etanol

Procesos para un producto alcohólico.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a procesos para la producción de un producto alcohólico de almidón granular que comprenden un pretratamiento a una temperatura elevada inferior a la temperatura de gelatinización inicial del almidón granular seguidos de la sacarificación simultánea y la fermentación.

Antecedentes de la invención

El almidón granular se encuentra en granos, en cereales o en tubérculos de plantas. El almidón granular tiene forma de gránulos microscópicos, los cuales son insolubles en agua a temperatura ambiente. Cuando se calienta una pasta de almidón acuosa, los gránulos se hinchan y, finalmente estallan, dispersando las moléculas de almidón en la solución. Durante este proceso de "gelatinización", hay un aumento espectacular en la viscosidad. Como el nivel de sólidos es del 30-40% en un proceso industrial típico, el almidón tiene que ser adelgazado o "licuado" de modo que se pueda manejar. Esta reducción en la viscosidad generalmente se realiza por la degradación enzimática en un proceso referido como licuefacción. Durante la licuefacción, el almidón de cadena larga se degrada en cadenas ramificadas y lineales más pequeñas de unidades de glucosa (dextrinas) por una alfa-amilasa.

Un proceso convencional de licuefacción enzimática puede llevarse a cabo como un proceso de pasta caliente de tres fases. La pasta se calienta a entre 80-85º y la alfa-amilasa termoestable se añade para iniciar la licuefacción. La pasta entonces se cocina a chorro a una temperatura de entre 105-125ºC para completar la gelatinización de la pasta, se enfría a 60-95ºC y, generalmente, se añade la alfa-amilasa adicional para finalizar la hidrólisis. El proceso de licuefacción generalmente se lleva a cabo a pH entre 5 y 6. Los granos enteros molidos y licuados se conocen como pulpa.puré.

Durante la sacarificación, las dextrinas de la licuefacción se hidrolizan más para producir azúcares de bajo peso molecular DP1-3 que pueden ser metabolizados por levadura. La hidrólisis típicamente se realiza usando glucoamilasas, alternativamente o además de glucoamilasas, pueden usarse alfa-glucosidasas y/o alfa-amilasas ácidas. Una fase de sacarificación completa típicamente dura hasta 72 horas, no obstante, es común solamente hacer una pre-sacarificación de, p. ej., 40-90 minutos a una temperatura superior a 50ºC, seguida de una sacarificación completa durante la fermentación en un proceso conocido como sacarificación y fermentación simultáneas (SSF).

La fermentación, se puede realizar usando una levadura, p. ej., de Saccharomyces spp., que se añade la pulpa. Cuando el producto alcohólico es el etanol recuperado, p. ej. el etanol combustible, potable, o industrial, la fermentación se lleva a cabo, típicamente durante 35-60 horas a una temperatura de típicamente alrededor de 32ºC.

Tras la fermentación, la pulpa se puede destilar para recuperar el etanol. El etanol puede ser utilizado como, p. ej., etanol combustible, etanol potable, y/o etanol industrial.

Quedará claro a partir de la discusión anterior que la hidrólisis de almidón en un proceso convencional de producto alcohólico consume mucha energía debido a los diferentes requisitos de temperatura durante las diferentes fases. Los procesos que comprenden la hidrólisis de almidón granular sin gelatinización se conocen en la técnica, p. ej., de Suresh et al. (1999), Bioprocess Engineering 21:165-168 , Ueda et al, (1975), Stärke 27:123-128 , Hayashida et al. (1988), Applied and Environmental Microbiology 54:1516-1522 y Abe et al. (1988), Carbohydrate Research 175:85-92 . La patente de EE.UU. N.º 4.316.956 proporciona un proceso de fermentación para la conversión de almidón granular a etanol. La patente europea EP0140410B2 proporciona una composición de enzimas para la hidrólisis de almidón. El objeto de la presente invención es proporcionar procesos mejorados para la conversión de almidón granular en productos alcohólicos.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona métodos para producir un producto alcohólico de almidón granular sin una gelatinización previa de dicho almidón. Por consiguiente la invención proporciona un proceso para la producción de un producto alcohólico que comprende las fases secuenciales de: (a) proporcionar una pasta que comprende agua y almidón granular, (b) mantener dicha pasta en presencia de una alfa-amilasa ácida y una glucoamilasa a una temperatura de al menos 45ºC pero por debajo de la temperatura de gelatinización inicial de dicho almidón granular durante un periodo de 5 minutos a 12 horas, (c) mantener dicha pasta en presencia de una alfa-amilasa ácida y una glucoamilasa y una levadura a una temperatura de entre 26ºC y 35ºC durante un periodo de 20 a 250 horas para producir etanol y, (d) recuperar el etanol.

Aunque no se limita a ninguna teoría de operación, la presente invención, en particular, la fase de proceso (b), se cree que resulta en la hinchazón de los gránulos de almidón incluidos en las células vegetales resultando en la ruptura de las paredes celulares y la liberación de los gránulos de almidón de este modo haciendo los gránulos de almidón más accesibles a una hidratación adicional y la acción de las enzimas. Como la hidratación progresa a través de la fase (b), la alfa-amilasa ácida degrada los gránulos del almidón para producir dextrinas que se degradan por la glucoamilasa en glucosa. Este proceso continúa durante la fase (c) en la que la glucosa se fermenta continuamente a etanol por la levadura, de este modo manteniendo la concentración de azúcar fermentable a una concentración relativamente baja durante toda la fermentación. Sin estar limitado a cualquier teoría de operación, se cree que debido a la concentración baja de azúcares presentes durante la fermentación, la producción de glicerol por la levadura se disminuye puesto que hay una necesidad limitada de glicerol para la osmorregulación. En este sentido, la presente invención puede utilizarse para producir un producto alcohólico con un contenido de glicerol y/o de metanol reducido en comparación con los procesos convencionales.

La presente invención proporciona una alternativa que consume menos energía que los procesos convencionales que debe emplear cantidades significantes de energía para gelatinizar la pasta de almidón. Otras ventajas de la presente invención incluyen, sin limitación, la capacidad de emplear un pH bajo durante todo el proceso, reduciendo así el riesgo de crecimiento microbiano indeseado, y reduciendo o eliminando la necesidad de equipos costosos para gelatinizar el almidón, tales como, instalaciones de chorro y equipos de la planta de vapor.

Descripción detallada de la invención

El término "producto alcohólico" significa un producto que comprende etanol, p. ej. etanol combustible, etanol potable y etanol industrial.

El término "almidón granular" significa almidón crudo no cocido, es decir, almidón en su forma natural que se encuentra en los cereales, tubérculos o granos. El almidón se forma dentro de células vegetales como gránulos minúsculos insolubles en agua. Cuando se ponen en agua fría, los gránulos de almidón pueden absorber una pequeña cantidad del líquido e hincharse. A temperaturas de hasta 50ºC a 75ºC la hinchazón puede ser reversible. No obstante, con temperaturas más altas se inicia una hinchazón irreversible llamada gelatinización.

El término "temperatura de gelatinización inicial" significa la temperatura más baja en la que la gelatinización del almidón comienza. El almidón calentado en agua se empieza a gelatinizar a entre 50ºC y 75ºC; la temperatura exacta de gelatinización depende del almidón específico, y puede ser determinado fácilmente por el hábil artesano. Así, la temperatura de gelatinización inicial puede variar según las especies de plantas, la variedad particular de las especies de plantas al igual que las condiciones de crecimiento. En el contexto de esta invención la temperatura de gelatinización inicial de un almidón dado es la temperatura a la que la birrefringencia se pierde en el 5% de los gránulos de almidón usando el método descrito por Gorinstein. S. y Lii. C., Starch/Stärke, vol. 44 (12) pp. 461-466 (1992).

La "identidad" del polipéptido significa el grado de identidad entre dos secuencias de aminoácidos. La identidad puede ser determinada adecuadamente por los programas de ordenador conocidos en la técnica, tales como, GAP proporcionado en el paquete de programas...

1. Un proceso para la producción de un producto alcohólico que comprende las fases secuenciales de:

2. El proceso según la reivindicación 1, donde el producto es etanol combustible, etanol potable y/o etanol industrial.

3. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la temperatura en la fase (c) es de entre 28ºC y 36ºC, como entre 29ºC y 35ºC, como entre 30ºC y 34ºC, como alrededor de 32ºC.

4. El proceso según la reivindicación 1, en el que el producto es una cerveza.

5. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 4 en el que la temperatura en la fase (c) es de entre 11ºC y 17ºC, como entre 12ºC y 16ºC, como entre 13ºC y 15ºC, como alrededor de 14ºC.

6. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que las actividades de la alfa-amilasa ácida y de la glucoamilasa son añadidas en la fase (b) y/o (c) en una proporción de entre 0.30 y 5.00 AFAU/AGU.

7. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la alfa-amilasa ácida es una alfa-amilasa ácida micótica.

8. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la alfa-amilasa ácida micótica se obtiene de una cepa de Aspergillus, preferiblemente de una cepa de Aspergillus Niger o de una cepa de una cepa de Aspergillus oryzae.

9. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones en el que la alfa-amilasa ácida es una alfa-amilasa ácida que tiene una secuencia de aminoácidos que tiene al menos el 70%, preferiblemente al menos el 75%, 80%, 85% o al menos el 90%, p. ej. al menos el 95%, al menos el 97%, al menos el 98%, o al menos el 99% de homología con la SEC ID NO: 1.

10. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la glucoamilasa se obtiene de una cepa de Aspergillus, Talaromyces o Clostridium.

11. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la glucoamilasa se obtiene de una cepa de Aspergillus Niger.

12. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la alfa-amilasa ácida es una alfa-amilasa ácida bacteriana.

13. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la alfa-amilasa ácida deriva de una cepa de alfa-amilasa de B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, y B. stearothermophilus.

14. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la alfa-amilasa ácida bacteriana deriva de una cepa de alfa-amilasa de B. lichenfformis, B. ayiloliquefaciens, y B. stearothermophilus.

15. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la alfa-amilasa ácida bacteriana está derivada de una cepa de Bacillus stearothermophilus, que tiene las mutaciones 1181* + G182* + N193F en comparación con la secuencia de aminoácidos de tipo salvaje expuesta en la SEC ID NO:2.

16. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la alfa-amilasa ácida bacteriana es una alfa-amilasa híbrida que comprende 445 residuos de aminoácidos C-terminales de la alfa-amilasa de Bacillus licheniformis expuesta en la SEC ID NO:3 y los 37 residuos de aminoácidos N-terminales de la alfa-amilasa derivada de Bacillus amyloliquefaciens expuesta en la SEC ID NO:4, que tiene la sustitución G48A + T491 + G107A + H 156Y + A181 T + N 190F + 1201F + A209V + Q264S.

17. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la alfa-amilasa ácida bacteriana es una alfa-amilasa que tiene la secuencia de aminoácidos expuesta en la SEC ID NO:4, que tiene las mutaciones H154Y, A181T, N190F, A209V, Q264S, y/o la supresión de dos residuos entre las posiciones 176 y 179, preferiblemente la supresión de E178 y G179.

18. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la actividad de la alfa-amilasa ácida está presente en una cantidad de 50-500 AFAU/Kg de DS (sólidos secos).

19. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la actividad de glucoamilasa está presente en una cantidad de 20-200 AGU/Kg de DS.

20. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la proporción entre la actividad de la alfa-amilasa ácida y actividad de la glucoamilasa está entre 0.35 y 5.00 AFAU/AGU.

21. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la fase (b) y/o la fase (C) se realizada en presencia de una actividad enzimática seleccionada de la lista consistente en xilanasa, celulasa y fitasa.

22. El proceso de la reivindicación precedente, en el que la pasta de almidón tiene 5-60% de almidón granular de DS, preferiblemente 10-50% de almidón granular de DS, más preferiblemente 20-40% de DS, especialmente alrededor del 30% de almidón granular de DS.

23. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el pH durante la fase (b) y/o (c) está en la gama de 3.0 a 7.0, preferiblemente de 3.5 a 6.0, o más preferiblemente de 4.0-5.0, como de 4.3 a 4.6.

24. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el almidón granular se obtiene a partir de tubérculos, raíces, tallos, frutos, semillas o del grano entero.

25. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el almidón granular se obtiene a partir de maíz, mazorcas, trigo, cebada, centeno, milo, sagú, yuca, mandioca, tapioca, sorgo, arroz o patatas.

26. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el almidón granular se obtiene a partir de cereales.

27. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el almidón granular se obtiene a partir de la molienda en seco o molienda húmeda del grano entero.

28. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el tiempo de mantenimiento en la fase (b) es de 5 minutos a 12 horas, preferiblemente de 10 minutos a 6 horas, más preferiblemente de 15 minutos a 3 horas, incluso más preferiblemente de 20 minutos a 1 hora, como de 30 minutos a 1 hora, de 40 a 70 minutos, e incluso de 50 a 60 minutos.

29. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el tiempo de mantenimiento en la fase (c) es de 25 a 190 horas, preferiblemente de 30 a 180 horas, más preferiblemente de 40 a 170 horas, incluso más preferiblemente de 50 a 160 horas, aún más preferiblemente de 60 a 150 horas, incluso aún más preferiblemente de 70 a 140 horas, y más preferiblemente de 80 a 130 horas.

30. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la temperatura en la fase (b) es de 45ºC a 75ºC.

31. Una composición enzimática que comprende la actividad de la alfa-amilasa ácida y la actividad de la glucoamilasa en una proporción de entre 0.30 y 5.00 AFAU/AGU, en la que una actividad enzimática adicional está presente; dicha actividad enzimática está seleccionada de la lista consistente en celulasa, xilanasa y fitasa.

32. Uso de una composición enzimática según la reivindicación precedente para un proceso de un producto alcohólico o un proceso de hidrólisis de almidón.

33. Uso de una composición enzimática que comprende la actividad de la alfa-amilasa ácida y la actividad de la glucoamilasa en una proporción de entre 0.30 y 5.00 AFAU/AGU, en un proceso para un producto alcohólico que comprende la hidrólisis enzimática del almidón granular.

34. Un proceso de maceración que comprende la aplicación de una alfa-amilasa ácida.

35. El proceso según la reivindicación precedente, en el que la alfa-amilasa ácida está derivada de un hongo dentro del Aspergillus, preferiblemente de A.niger.

36. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la alfa-amilasa ácida tiene al menos el 50%, al menos el 60%, al menos el 70%, al menos el 80%, al menos el 90% de homología con la secuencia de aminoácidos mostrada en la SEC ID NO:1

37. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende: