СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ПОСРЕДСТВОМ АНАЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК C12P7/52 C12P7/54 C12P7/40 C12P7/56 

Настоящее изобретение относится к получению органических веществ посредством анаэробной ферментации биомассы, при этом ферментированный сироп аэрируют до стадии извлечения органических веществ.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные способы получения органических веществ, в частности органических кислот, посредством анаэробной ферментации биомассы, в частности, посредством ферментации мелассы и/или пульпы, включающие, в частности, стадии анаэробной ферментации мелассы и/или пульпы в водной ферментационной среде, извлечение ферментированного сиропа из ферментированного сусла и выделение органических веществ из ферментированного сиропа. Эти способы и условия для выполнения различных стадий описаны, в частности, в заявках на патент WO 2016/135396, WO 2016/135397, WO 2016/012701, WO 2017/013335, WO 2015/036683, WO 2014/100424 и WO 2010/047815.

Выделению органических веществ из ферментированного сиропа обычно предшествует концентрирование ферментированного сиропа путем выпаривания воды. Однако такая стадия выпаривания может приводить к потере некоторого количества органических веществ при выпаривании воды и потере в конечном выходе продукции.

Поэтому выгодно обнаружить надежный и экономичный способ, который ограничивает или даже исключает потерю органических веществ во время выпаривания воды для концентрирования ферментированного сиропа.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение заключается в простой стадии, которая заключается в аэрации ферментированного сиропа перед его концентрированием.

Таким образом, изобретение относится к способу получения органических веществ, включающему стадии а) анаэробной ферментации биомассы в водной ферментационной среде, б) извлечения ферментированного сиропа из ферментированного сусла, и в) извлечения органических веществ из ферментированного сиропа, при этом ферментированный сироп аэрируют до стадии в) извлечения веществ.

Преимущественно, стадия в) извлечения органических веществ включает стадию в1) концентрирования ферментированного сиропа, которая предшествует стадии в2) извлечения органических веществ из концентрированного ферментированного сиропа.

Преимущественно и предпочтительно задачей способа ферментации является получение органических кислот, более конкретно, летучих органических кислот, таких как уксусная, пропионовая, масляная, изомасляная, валериановая, изо валериановая, капроновая кислоты и их смеси.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способы получения органических веществ путем анаэробной ферментации включают стадии а) анаэробной ферментации биомассы в водной ферментационной среде, б) извлечения ферментированного сиропа из ферментированного сусла и извлечения органических веществ из ферментированного сиропа, при этом ферментированный сироп аэрируют до стадии в) извлечения веществ.

Изобретение относится к усовершенствованию таких способов анаэробной ферментации, которое заключается в аэрации ферментированного сиропа перед извлечением таких органических веществ.

Органические вещества, продуцированные в этих способах анаэробной ферментации, представляют собой, в частности, спирты, органические кислоты и, в частности, летучие органические кислоты, производные этих органических кислот, такие как полигидроксиалканоаты или сложные эфиры, или аминокислоты.

Преимущественно и предпочтительно, задача способа ферментации заключается в продуцировании органических кислот, более конкретно, летучих органических кислот, таких как уксусная, пропионовая, масляная, изомасляная, валериановая, изовалериановая, капроновая кислоты и их смеси.

Согласно изобретению, биомасса содержит любую биомассу, которая может быть ферментирована в ходе анаэробного способа, содержащую питательные вещества, необходимые для роста анаэробных микроорганизмов и продуцирования выбранных органических веществ. Различные пригодные для использования биомассы хорошо известны специалисту в данной области техники в соответствии с осуществляемыми способами анаэробной ферментации. Эти поддающиеся ферментации биомассы представляют собой, например, сопутствующие продукты сельскохозяйственного производства или агропищевой индустрии, такие как зерновые отходы, отходы сортировки картофеля, отходы мясопереработки, пивная дробина, барда или сточные воды животноводства. Все метанизируемые субстраты также являются примерами поддающейся ферментации биомассы. Классические субстраты для ферментации, используемые в биотехнологии или в агропищевой индустрии, такие как сахароза, глюкоза, фруктоза или спирты, такие как глицерин, также представляют собой примеры поддающейся ферментации биомассы.

Согласно конкретному воплощению изобретения, биомасса представляет собой мелассу и/или свекловичную пульпу.

Согласно более предпочтительному воплощению изобретения, способ анаэробной ферментации выполняют с мелассой и/или пульпой в качестве источника углерода для получения органических кислот, в частности летучих органических кислот, которые названы выше.

Изобретение заключается в аэрации ферментированного сиропа перед извлечением органических веществ, и специалисту будет понятно, как определять наиболее подходящие средства и условия аэрации ферментированного сиропа в соответствии с объемом сиропа, подлежащим обработке, и органическими веществами, подлежащими извлечению.

В частности, аэрация может быть достигнута посредством подачи воздуха или барботированием воздуха через ферментированный сироп или путем простого перемешивания ферментированного сиропа в контакте с воздухом посредством любых подходящих средств, таких как рециркуляционные насосы, рассекатели, струйные смесители Вентури и так далее.

Предпочтительно, аэрацию получают путем перемешивания ферментированного сиропа.

Не желая ограничивать изобретение или быть связанным любой теорией, это может быть истолковано таким образом, что ферментированный сироп со стадии анаэробной ферментации включает большие количества растворенного углекислого газа. Возможно, что аэрация, посредством удаления растворенного углекислого газа в ферментированном сиропе, может повышать рН сиропа.

Действительно, было обнаружено, что аэрация ферментированного сиропа повышала его рН и что, чем более кислым был рН сиропа, тем больше органических веществ уносилось при выпаривании воды, например в случае извлечения при выпаривании воды, как на стадии концентрирования.

Преимущественно, аэрацию поддерживают до получения рН ферментированного сиропа по меньшей мере 7, предпочтительно по меньшей мере 8.

Обычно, аэрацию поддерживают в течение по меньшей мере 15 минут, и можно продолжать вплоть до 30 минут или более. По существу, время аэрации будет зависеть от рН ферментированного сиропа, извлеченного в конце ферментации, при этом специалист знает, как определять время аэрации в зависимости от этого рН, а также от органических веществ, подлежащих извлечению, и способов извлечения указанных органических веществ.

Такое повышение рН является особенно подходящим, когда органические вещества представляют собой органические кислоты, более конкретно летучие органические кислоты, такие как уксусная, пропионовая, масляная, изомасляная, валериановая, изовалериановая, капроновая кислоты и их смеси.

Способы и условия для выполнения различных стадий описаны, в частности, в заявках на патент WO 2016/135396, WO 2016/135397, WO 2016/012701, WO 2017/013335, WO 2015/036683, WO 2014/100424 и WO 2010/047815.

Стадию ферментации а) обычно осуществляют в мезофильном и анаэробном режиме в ферментере с перемешиванием. Режим культивирования может быть непрерывным или периодическим.

Биомасса, в частности меласса или пульпа, используемая для ферментации, предпочтительно представляет собой остатки от сахарной промышленности, в частности от переработки сахарного тростника или сахарной свеклы, предпочтительно пульпу сахарной свеклы или мелассу сахарной свеклы.

Мелассу и пульпу можно использовать вместе в одном и том же ферментере в любой пропорции или раздельно в разных ферментерах.

Предпочтительно, пульпа и/или мелассы представляют собой единственные источники углерода для анаэробной ферментации.

Анаэробную ферментацию обычно выполняют с использованием микроорганизмов, самих по себе или в смеси. Они могут представлять собой линии и смеси микроорганизмов, посеянных в биомассу для начала ферментации. Они также могут представлять собой автохтонную микрофлору биомассы, которая развивается в условиях анаэробного культивирования.

Водная среда представляет собой воду. Согласно конкретному воплощению изобретения, водная ферментационная среда состоит из воды и барды, смешанных в любой пропорции. Водная ферментационная среда может быть дополнена витаминами, дрожжевым экстрактом или любым другим вспомогательным веществом, делающим возможной оптимизацию выполнения ферментации.

Для стадии б) извлечение выполняют в конце ферментации согласно обычным способам фильтрации для удаления возможных твердых остатков, присутствующих в ферментированном сусле, например, путем центрифугирования, центробежной декантации и так далее.

Стадию аэрации, эквивалентную стадии а) способа согласно изобретению, выполняют в жидкой среде после ферментации, где известный уровень техники описывает влияние аэрации на условия ферментации, до стадии б) извлечения ферментированного сиропа (Wei & al., 2014; ЕР 1892300; Cheng & al., 2004; Yimalztekin & al., 2013; Botheju & al., 2011).

Таким образом, способ получения органических веществ посредством анаэробной ферментации в соответствии с изобретением также может быть описан как включающий следующие стадии:

а) анаэробную ферментацию биомассы в водной ферментационной среде,

б) извлечение ферментированного сиропа из ферментированного сусла,

б2) аэрацию ферментированного сиропа и

в) извлечение органических веществ из аэрированного ферментированного сиропа.

Стадию в) извлечения органических веществ обычно выполняют посредством экстракции, осаждения и/или перегонки.

Преимущественно, стадия в) извлечения органических веществ включает стадию в1) концентрирования ферментированного сиропа, которая предшествует стадии в2) извлечения органических веществ из концентрированного ферментированного сиропа.

Стадию концентрирования в1) выполняют в соответствии с обычными способами выпаривания, известными специалисту в данной области техники.

Стадию в2) извлечения органических веществ преимущественно выполняют в концентрированном ферментированном сиропе после удаления по меньшей мере части воды и, при необходимости, с добавлением органического растворителя для создания условий для разделения разных веществ. Особо следует отметить способы выделения, описанные в заявках WO 2015/036683, WO 2014/100424. Специалист знает и сможет разобраться, как выбрать способ, наиболее пригодный для органических веществ, подлежащих выделению, где эта стадия не является ограничением в отношении изобретения, в котором впервые описана стадия концентрирования в1).

Согласно конкретному воплощению, стадии в2) извлечения органических веществ предшествует стадия подкисления путем добавления сильной кислоты, в частности, серной кислоты, вплоть до рН ниже 5, который можно снижать до 3 или ниже.

Такое добавление сильной кислоты является особенно целесообразным перед выделением органических кислот и, более конкретно, летучих органических кислот.

Ферментированный сироп может происходить из одного ферментированного сусла или из смеси нескольких ферментированных сиропов от нескольких ферментированных сусел, если потребуется, после концентрирования. В таком случае каждое ферментированное сусло может независимо происходить от ферментации пульпы или мелассы или от смеси пульпы и мелассы.

ПРИМЕРЫ

Анаэробную ферментацию органических сопутствующих продуктов производства сахара, таких как меласса сахарной свеклы, выполняют в промышленных ферментерах. рН ферментированных сусел регулируют с помощью карбоната калия. Результаты экспериментов по аэрации для повышения рН представлены в Таблицах ниже. В конце ферментации ферментированный сироп извлекают и аэрируют с помощью рециркуляционного насоса. рН сиропа измеряют после начального периода аэрации 1 или 2 минут, затем в конце аэрации.

В Таблице 1 ниже кратко изложены результаты повышения рН посредством аэрации в разные моменты времени у разных сиропов от анаэробной ферментации агропромышленных сопутствующих продуктов типа мелассы.

После различных анаэробных ферментаций агропромышленных сопутствующих продуктов ферментированные сиропы упаривают при наличии или отсутствии предшествующей стадии аэрации путем перемешивания с помощью рециркуляционного насоса. Измеряют количества летучих жирных кислот (ЛЖК) в выпарном конденсате. Результаты различных экспериментов показаны в Таблице 2 ниже.

Эти результаты показывают, что стадия аэрации ограничивает унос летучих жирных кислот с водой во время концентрирования ферментированного сиропа и, таким образом, снижает потери этих соединений, которые, возможно, будут извлечены из концентрированного сиропа.

Ссылки

Botheju & al., 2011, The Open Waste Management Journal, vol. 4, №1, 1-19.

Cheng & al., 2004, Biotechnology Letters, vol. 26, №11, 911-915.

Wei & al., 2014, Bioresource Technology, vol. 171, 132-138.

Yimalztekin & al., 2013, Biomed Research International, vol. 2013, 1-6.

EP 1892300.

WO 2010/047815, WO 2014/100424, WO 2015/036683, WO 2016/012701, WO 2016/135397, WO 2016/135396, WO 2017/013335.

Изобретение относится к области биотехнологии. Способ получения летучих органических кислот включает стадии: а) анаэробной ферментации биомассы в водной ферментационной среде с получением ферментированного сусла, б) извлечения ферментированного сиропа из ферментированного сусла, в) концентрирования ферментированного сиропа путем выпаривания и г) извлечения летучих органических кислот из концентрированного ферментированного сиропа, при этом указанный ферментированный сироп аэрируют до стадии в) концентрирования ферментированного сиропа путем выпаривания. Способ позволяет извлекать летучие органические кислоты с высоким выходом, ограничивая их потери. 6 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения летучих органических кислот, включающий стадии а) анаэробной ферментации биомассы в водной ферментационной среде с получением ферментированного сусла, б) извлечения ферментированного сиропа из ферментированного сусла, в) концентрирования ферментированного сиропа путем выпаривания и г) извлечения летучих органических кислот из концентрированного ферментированного сиропа, при этом указанный ферментированный сироп аэрируют до стадии в) концентрирования ферментированного сиропа путем выпаривания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ферментированный сироп аэрируют путем подачи воздуха через ферментированный сироп.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ферментированный сироп аэрируют путем перемешивания в контакте с воздухом.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что аэрацию поддерживают до получения pH ферментированного сиропа по меньшей мере 7.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что аэрацию поддерживают до получения pH ферментированного сиропа по меньшей мере 8.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что летучие органические кислоты выбраны из уксусной, пропионовой, масляной, изомасляной, валериановой, изовалериановой, капроновой кислот и их смесей.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что биомасса представляет собой мелассу и/или пульпу.