Procedimiento para la producción de biogás y aminoácidos a partir de un hidrolizado.

Procedimiento para el aprovechamiento integrado de los contenidos energéticos y materiales de disoluciones y sólidos que resultan en la hidrólisis enzimática de materias primas renovables con contenido en almidón,

que comprende:

a) la preparación, mediante hidrólisis enzimática, de una mezcla de hidrólisis acuosa que contiene al menos una fuente de carbono aprovechable por el microorganismo empleado para la preparación de un aminoácido proteinogénico, a base de materias primas renovables,

b) el uso de esta mezcla acuosa como fuente de carbono en la preparación de aminoácidos proteinogénicos mediante fermentación, en donde

c) antes de la etapa b) se separan los componentes sólidos de la mezcla de hidrólisis que resulta en la etapa a), y

d) los componentes sólidos de la mezcla de hidrólisis que resulta en la etapa a) y la biomasa que resulta en la fermentación en la etapa b) se someten a una co-fermentación anaerobia para la preparación de biogás, en donde el biogás resultante se recoge, se calcina y se transforma en energía calorífica y/o eléctrica y se emplea en una o varias etapas del procedimiento del proceso.

Procedimiento para la producción de biogás y aminoácidos a partir de un hidrolizado

La invención se refiere a un procedimiento para el aprovechamiento integrado de los contenidos energéticos y materiales de hidrolizados y sólidos que resultan en la hidrólisis enzimática de materias primas renovables, en el que la disolución de la hidrólisis resultante se emplea como fuente de C en fermentaciones y los sólidos no hidrolizados se aportan a la obtención de biogás.

Estado de la técnica

Procedimientos fermentativos para la preparación de sustancias diana tales como, p. ej., aminoácidos, vitaminas y carotenoides por parte de microorganismos son en general conocidos. En función de las distintas condiciones del procedimiento se aprovechan en este caso diferentes fuentes de carbono. Estas abarcan desde sacarosa pura, pasando por melaza de remolacha y de caña de azúcar, las denominadas "high test molasses" (melaza de caña de azúcar invertida), hasta glucosa de hidrolizados de almidón. Para la preparación biotecnológica de L-lisina se mencionan, además de ello, ácido acético y etanol como co-sustratos utilizables a gran escala (Pfefferle et al, Biotechnological Manufacture of Lysine, Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, Vol. 79 (2003), 59- 112).

Una fuente importante de carbono para la fermentación de microorganismos es el almidón. Éste debe primero licuarse y sacarificarse en etapas de reacción antepuestas, antes de que pueda ser utilizado como fuente de carbono en una fermentación. Para ello, el almidón se obtiene de una fuente de almidón natural tal como patatas, mandioca, cereales, p. ej., trigo, maíz, cebada, centeno o arroz, habitualmente en una forma pre-purificada, a continuación se licúa enzimáticamente y se sacarifica con el fin de ser empleado luego en la fermentación propiamente dicha para la producción de las sustancias diana.

Técnicas más recientes se ocupan de métodos mejorados que deben posibilitar la preparación de medios de fermentación a partir de recursos renovables (documentos EP 1205557, US 2002/079268).

Se describió ya también un procedimiento fermentativo con el que debe ser posible emplear el almidón como fuente de carbono (documento WO 2005116228).

En una fermentación no sólo se forma el producto deseado, sino que, básicamente, también biomasa. Esta biomasa se elimina como producto de desecho o ha de ser aprovechada de otro modo y, debido a su formación, reduce el rendimiento (producto por precursor) del proceso. En el caso de la preparación fermentativa de etanol se producen, por lo tanto, a menudo alimentos para animales complejos en forma de co-productos. En el denominado proceso Dry-Milling (de molienda en seco), mediante el cual se prepara aproximadamente el 65% del etanol, sólo en los Estados Unidos de América se preparan casi cuatro toneladas de DDGS (siglas inglesas de cereales secos de destilería con componentes solubles) (Lyons 2003, Jacques 2003). En resumen, el denominado proceso Dry-Milling se puede describir de la siguiente forma: los granos de cereales se muelen en un molino para formar partículas finas y se mezclan con líquido. Este puré se trata entonces con una enzima licuante con el fin de hidrolizar el cereal para formar dextrinas, que son una mezcla a base de oligosacáridos. La hidrólisis de almidón con la enzima licuante, denominada a-amilasa, se lleva a cabo por encima de la temperatura de gelificación del cereal. El puré se hierve a una temperatura correspondiente con el fin de disgregar la estructura granular del almidón y desencadenar la gelificación. Finalmente, las dextrinas resultantes se continúan hidrolizando en un proceso de sacarificación con la exoenzima glucoamilasa para formar glucosa. Los DDGS que resultan en este caso es el co-producto principal en la preparación de etanol. Aproximadamente el 80% de estos DDGS son dados como alimento a rumiantes. Esto significa que el aprovechamiento sólo es rentable en el caso de que en el entorno de la instalación de producción existan suficientes instalaciones de crianza de rumiantes que sean consumidoras de los DDGS.

Este aprovechamiento de productos secundarios de la preparación fermentativa de etanol como alimentos para animales complejos debe diferenciarse, sin embargo, de la preparación de sustancias diana adecuadas como aditivos para alimentos para animales. En el caso de estos procedimientos, se producen por fermentación, por ejemplo, aminoácidos o vitaminas como productos principales y encuentran aplicación en la alimentación de animales. En este caso, en el proceso de fermentación resultan adicionalmente productos secundarios complejos que contienen la biomasa. Una posibilidad para el aprovechamiento de los productos secundarios es la preparación de fertilizantes a partir del caldo de fermentación (Ideka 2003). Para la preparación de Usinas se emplean también procesos en los que el producto no es purificado después de la fermentación, sino que la biomasa es vendida

conjuntamente como componente del aditivo del alimento para animales (Biolys®, documento US 5.431.933). Como ¡dea adicional para el aprovechamiento de la biomasa resultante se publicó el reciclaje de la biomasa (Blaesen et. al 2005). En el caso de este procedimiento puede aumentarse, en el caso de procesos de fermentación, mediante el reciclaje a la fermentación de la biomasa que resulta como precursor, el rendimiento medio y reducirse la cantidad 5 residual a eliminar.

Del estado de la técnica se conoce la degradación anaerobia de sustancia orgánica por parte de bacterias, en la que resulta biogás que se compone en un 50-85% de metano. La energía almacenada en el biogás y obtenida a partir del mismo se designa como renovable, dado que procede de una sustancia orgánica renovable. Adicionalmente, el aprovechamiento energético de biogás, a diferencia de la combustión de gas natural, petróleo o carbón, es neutro 10 para el dióxido de carbono, dado que el dióxido de carbono resultante se mueve en el circuito natural de carbono y es consumido de nuevo por las plantas durante su crecimiento.

El biogás es un portador de energía muy valioso, es decir, puede ser aprovechado de múltiples maneras y con un elevado grado de eficacia. La fuente de ingresos principal en la producción de biogás es actualmente el beneficio del uso para la producción de electricidad. A través del denominado acoplamiento fuerza-calor, el biogás se utiliza 15 clásicamente como combustible en el motor de combustión interna que acciona a un generador para la creación de corriente de la red (corriente alterna o bien corriente trifásica). El calor residual del motor que resulta al mismo tiempo a partir de enfriamiento y gas de escape puede aprovecharse para el calentamiento. Como alternativa a la generación de energía con un grado de eficacia más elevado se emplean ya también celdas de combustible. El biogás puede prepararse también a partir de residuos de la producción de L-lisina (Viesturs et al. 1987 Proc. Latv. 20 Acad. Sel 8 (841): 102-105). Otro procedimiento ha de posibilitaren un proceso integrado la preparación paralela de carne (o leche), etanol, alimentos para ganado y biogás (biofertilizante) (documento US 2005/0153410). En el caso de utilizar co-precursores con contenido en proteínas en procesos de fermentación anaerobios se puede topar con dificultades, dado que las proteínas pueden experimentar, en el caso de variaciones del valor del pH y en presencia de cationes divalentes, variaciones estructurales que pueden impedir un ataque enzimático posterior (Mulder 2003, 25 Blologlcal wastewater treatment for Industrial effluents; technology and operation, Paques B.V., 3.1 Fermentation).

El proceso de degradación típico de material orgánico para formar biogás consiste esencialmente en cuatro etapas.

En la primera etapa (hidrólisis), bacterias aerobias transforman las sustancias orgánicas de elevado peso molecular (proteínas, hidratos de carbono, grasas, celulosa), con ayuda de enzimas, en compuestos de bajo peso molecular tales como azúcares sencillos, aminoácidos, ácidos grasos y agua. Las enzimas secretadas por las bacterias 30 hidrolíticas se adhieren a la cara exterior de las bacterias (las denominadas exoenzimas) y con ello disocian hidrolíticamente los componentes orgánicos del sustrato en pequeñas moléculas solubles en agua. En la segunda etapa (acidificación) las moléculas individuales son degradadas y transformadas de manera intracelular por bacterias formadoras de ácidos. Se trata en este caso de especies aerobias facultativas que consumen el oxígeno todavía remanente y, de esta forma, crean las condiciones anaerobias necesarias para las bacterias del metano. En este 35 caso, se generan principalmente ácidos grasos de cadena... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el aprovechamiento integrado de los contenidos energéticos y materiales de disoluciones y sólidos que resultan en la hidrólisis enzimática de materias primas renovables con contenido en almidón, que comprende:

a) la preparación, mediante hidrólisis enzimática, de una mezcla de hidrólisis acuosa que contiene al menos una fuente de carbono aprovechable por el microorganismo empleado para la preparación de un aminoácido proteinogénico, a base de materias primas renovables,

b) el uso de esta mezcla acuosa como fuente de carbono en la preparación de aminoácidos proteinogénicos mediante fermentación, en donde

c) antes de la etapa b) se separan los componentes sólidos de la mezcla de hidrólisis que resulta en la etapa

a), y

d) los componentes sólidos de la mezcla de hidrólisis que resulta en la etapa a) y la biomasa que resulta en la fermentación en la etapa b) se someten a una co-fermentación anaerobia para la preparación de biogás,

en donde el biogás resultante se recoge, se calcina y se transforma en energía calorífica y/o eléctrica y se emplea en una o varias etapas del procedimiento del proceso.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que como fuente de carbono se utilizan granos de cereales.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que el cereal se elige del grupo de maíz, centeno, trigo y avena.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que los microorganismos se eligen de los géneros Corynebacterium, Bacillus, Ashbya, Escherichia, Aspergillus, Alcaligenes, Actinobacillus, Anaerobiospirillum, Lactobacillus, Propionibacterium y Clostridium.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que los microorganismos se eligen de las cepas de Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, Ashbya gossypii, Escherichia coli, Aspergillus niger o Alcaligenes latus, Anaerobiospirillum succiniproducens, Actinobacillus succinogenes, Lactobacillus delbrückii, Lactobacillus leichmanni, Propionibacterium arabinosum, Propionibacterium schermanii, Propionibacterium freudenreichii, Clostridium propionicum y Clostridium acetobutilicum.