BUENO ZABALA KAREN ALEJANDRA (CO)
| CO2008055808A | ||||
| KR20110085133A | 2011-07-27 | |||
| US20080299628A1 | 2008-12-04 |
QUEZADA M ET AL.: "Produccion de Jarabe de fructosa con enzimas inmovilizadas en un proceso continuo a partir de TIQUISQUE (Xanthosoma sagittifolium", CIENCIA Y TECNOLOGIA (2012) 28 (1 Y 2, pages 13 - 24, ISSN: 0378-0524
NORMA DEL CODEX PARA LOS AZUCARES1 CODEX STAN 212, pages 1 - 5, Retrieved from the Internet
| REIVINDICACIONES 1) Un proceso para obtener jarabes azucarados a partir de residuos agroindustriales que comprende las siguientes etapas: a) realizar un pre-tratamiento físico, químico y/o biológico a los residuos agroindustriales; b) someter a hidrólisis enzimática los residuos obtenidos en la etapa (a) hasta obtener un jarabe rico en glucosa, en donde la hidrólisis enzimática se realiza bajo las siguientes condiciones: pH entre 3,0 y 7,0, temperatura entre 35 y 95 °C, agitación entre 100 y 250 rpm, relación enzima/sustrato entre 0,003 y 0,11% y sólidos en base húmeda entre 15 y 40% ; y c) adicionar enzimas isomerasas al jarabe obtenido en (b) hasta obtener un jarabe azucarado de mezclas de isómeros de glucosa, en donde la enzima isomerasa está en una relación enzima/sustrato de 0,07% y 0,2%p/p, a una temperatura entre 50 y 65°C, agitación entre 100 y 250 rpm por un periodo entre 2 y 4 horas. 2) El proceso de la Reivindicación 1 , donde el pre-tratamiento físico de los residuos consiste en reducir su tamaño de partícula entre 0,5 mm y 50 mm. 3) El proceso de la Reivindicación 1, donde el pre-tratamiento biológico de los residuos se realiza mediante tratamiento con complejos enzimáticos y/o tratamiento con enzimas para la remoción de pectinas. 4) El proceso de la Reivindicación 1, donde el pre-tratamiento químico de los residuos se realiza siguiendo uno o más de los siguientes procedimientos: explosión a vapor, gelatinización, hidrotérmico y tratamiento con ácido diluido. 5) El proceso de la Reivindicación 4, donde el pre-tratamiento químico se realiza mediante gelatinización a las siguientes condiciones: temperatura entre 60 °C y 121 °C, agitación entre 100 y 250 rpm por un período entre 5 y 20 minutos y pH entre 4,0 y 6,0. 6) El proceso de la Reivindicación 4, donde el pre-tratamiento químico se realiza mediante adición de un ácido diluido seleccionado de: ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido acético, ácido nítrico, ácido fórmico, ácido sulfuroso, ácido perclórico, ácido fosfórico y mezclas de los mismo. 7) El proceso de la Reivindicación 4, el pre-tratamiento químico con ácido diluido se lleva a cabo con una concentración de ácido entre 0,1% y 5,0% p/p, una concentración de sólidos entre 8 y 30 % p/v, temperatura entre 115 y 180°C, agitación entre 150 y 400 rpm y durante un periodo de tiempo entre 12 y 25 minutos. 8) El proceso de la Reivindicación 1, donde las enzimas empleadas en la hidrólisis enzimática de la etapa (b) se seleccionan de: alfa-amilasa, endo-amilasa, pululanasa, glucoamilasa, amiloglucosidasa (AMG), glucohidrolasa, celulasa y mezclas de las mismas. 9) El proceso de la Reivindicación 1, donde en la etapa (b) de hidrólisis enzimática se adicionan cofactores metálicos y orgánicos seleccionados de Mg2+, SO32", Mn2+,Fe2+, Fe3+, K2+,Mo, Ni2+, Se, Zn2+ y mezclas de los mismos. 10) Un jarabe azucarado obtenido según el proceso de las Reivindicaciones 1 a 9. 11) El jarabe azucarado de la Reivindicación 10, que cumple con los siguientes parámetros: |
RESIDUOS AGROINDUSTRIALES
Campo de la invención
La presente invención se encuentra en el campo de la Biotecnología, específicamente en procesos para obtener jarabes azucarados a partir de residuos agroindustriales.
Descripción del estado de la técnica
Los jarabes azucarados son líquidos de consistencia viscosa que comprenden soluciones concentradas de azúcares (v.g glucosa, sacarosa, fructuosa) en agua u otro solvente, que se pueden obtener a partir de almidón, hemicelulosa, o celulosa. Los jarabes azucarados son muy utilizados en la industria confitera como anticristalizante del azúcar y regulador del dulzor, en la elaboración de helados aportando textura y brillo y en algunos alimentos procesados.
En la actualidad, diariamente se genera una gran cantidad de residuos sólidos vegetales, resultado de diversos procesos de transformación industrial y de los malos hábitos de consumo, lo que ha ocasionado una problemática ambiental por su disposición incorrecta. Como parte de la solución implementada a esta problemática, los residuos orgánicos se pueden separar de los demás desechos sólidos y posteriormente transformarlos en materia prima para elaborar productos de fermentación, etanol, biocombustibles, jarabes edulcorados y biofertilizantes.
El estado de la técnica describe varios procesos en el que se disponen residuos sólidos para su trasformacion en materia prima para productos de fermentación, biocombustibles y jarabes edulcorados. El documento US 20150368684 describe un proceso para la conversión de la biomasa de residuos en productos útiles como alcoholes, ácidos y azúcares. El proceso comprende reducir el tamaño de partícula de la biomasa (un material celulósico o lignocelulósicos), determinar su contenido de lignina y posteriormente someterlo a sacarificación mediante la adición de enzimas hasta formar una mezcla de dos o más azúcares. El material sacarificado se fermenta con un organismo hasta obtener el producto de fermentación deseado (v. g. alcoholes, ácidos orgánicos) y finalmente se separan los productos fermentados de los azúcares no fermentados.
El documento WO 2012021950 describe un bioproceso enzimático para la producción de hidrolizados con altas concentraciones de azúcares fermentables a partir de materiales que contienen lignocelulosa, tales como residuos agrícolas y forestales. El proceso comprende someter los residuos agroindustriales a hidrólisis con ácido sulfúrico diluido y, posteriormente, aplicar un proceso de licuefacción al material sólido resultante de la hidrólisis ácida. El material hidrolizado se sacarifica con una preparación de enzimas y posteriormente se fermentan para obtener productos de fermentación como alcoholes y ácidos orgánicos.
La solicitud de patente CO2008055808 describe un proceso para la producción de un jarabe azucarado a partir de materiales amiláceos y lignocelulósicos de la planta de banano mediante hidrólisis ácida del material amiláceo e hidrólisis enzimática del material lignocelulósico. El proceso comprende moler el material amiláceo y lignocelulósico hasta un tamaño de partícula cercano a 0,3 mm; tratar el material con una solución de ácido sulfúrico (19% a 22% (v/v)), y, por último, someterlo a hidrólisis enzimática hasta obtener un jarabe rico en glucosa.
Si bien en el estado de la técnica se encuentran divulgados varios procesos para transformar residuos agroindustriales y obtener varios productos de fermentación, es necesario desarrollar procesos más eficientes y optimizados que permitan obtener productos de fermentación, tales como jarabes azucarados.
Breve descripción de la invención
La invención proporciona un proceso para obtener jarabes azucarados a partir de residuos agroindustriales que comprende pre-tratar por métodos físicos, biológicos y químicos los residuos agroindustriales y posteriormente someterlos a hidrólisis enzimática, bajo condiciones específicas de reacción, hasta obtener un jarabe azucarado rico en glucosa. Al jarabe azucarado obtenido se le adiciona enzimas isomerasas para obtener jarabes de mezclas de isómeros de glucosa.
Breve descripción de las figuras
FIG. 1 Diagrama de distribución de partículas para materias primas amiláceas.
FIG. 2 Diagrama de distribución de partículas para materias primas lignocelulósicas. FIG. 3 Diagrama general del proceso para obtener jarabes azucarados de mezclas de isómeros de glucosa.
Descripción detallada de la invención El proceso para obtener jarabes azucarados a partir de residuos agroindustriales, de acuerdo a la invención, comprende realizar una etapa previa de caracterización de los residuos agroindustriales para establecer la naturaleza de la materia prima y así determinar el pre-tratamiento adecuado a seguir (v.g. físico, biológico y/o químico) y la cantidad de enzima necesaria en la etapa de hidrólisis enzimática y en la etapa de isomerización (FIG.l).
En la etapa previa de caracterización, los residuos agroindustriales inicialmente se pesan y se muelen hasta un tamaño de partícula entre 0,15 mm y 3,0mm con el fin de aumentar la superficie de contacto en las pruebas de caracterización. Para caracterizar los residuos agroindustriales, se puede determinar, siguiendo cualquier método convencional, su porcentaje de cenizas, porcentaje de humedad, porcentaje de extractivos (v.g. por solvente orgánico, agua, etanol), sólidos secos, el contenido de carbohidratos estructurales (v.g. celulosa, hemicelulosa, almidón), lignina y proteína. El pre-tratamiento puede ser de naturaleza física, biológica o química. Para efectos de la presente invención, el pre-tratamiento físico consiste en reducir el tamaño de partícula entre 0,5mm y 50mm, más preferiblemente entre 0,5mm y 10mm, mediante cualquier operación conocida en la técnica (v.g. molienda). En una modalidad preferida de la invención, se reduce el tamaño de partícula de los residuos empleando un molino de cuchillas. Para garantizar un tamaño de partícula homogéneo se puede realizar una granulometría del material molido utilizando tamices con número 3/4" y 3/8" y malla Tyler ® 4, 8, 35, 40 y 200.
El pre-tratamiento químico de los residuos se realiza siguiendo uno o más de los siguientes procedimientos: expansión a vapor, gelatinización, adición de agua caliente y tratamiento con ácido diluido. El pre-tratamiento químico con ácido diluido permite romper el sello de la lignina de los residuos agroindustriales, modificando su tamaño, estructura y composición química, hidrolizando parte de la hemicelulosa, disminuyendo la cristalinidad y aumentando el área de superficie de la celulosa. El ácido empleado en el pre-tratamiento químico con ácido diluido se selecciona de: ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido acético, ácido nítrico, ácido fórmico, ácido sulfuroso, ácido perclórico, ácido fosfórico y mezclas de los mismos, en una concentración entre 0,1 y 5,0 p/p. El pre-tratamiento con ácido diluido se realiza a una temperatura entre 115 y 180°C, agitación entre 150 y 400rpm por un periodo entre 12 y 25 minutos y garantizando una concentración de sólidos entre 8 y 30 %p/v. El pre-tratamiento químico por gelatinización se realiza adicionando una solución Buffer a una concentración entre 0,05 y 0,1M, para garantizar un pH entre 4,0 y 6,0. El proceso de gelatinización se realiza a una temperatura entre 60°C y 121 °C, agitación entre 100 y 250rpm por un periodo entre 5 y 20 minutos. Con el pre-tratamiento químico por gelatinización se logra transformar los granulos de almidón insolubles, en una solución de amilosa y la amilopectina dispersada en el seno de la disolución. La solución Buffer se puede preparar adicionando entre 10 y 12g/L de ácido fumárico, entre 20 y 50ppm de cloruro de calcio como cofactor de la enzima y entre 6 y 15g/L de NaOH.
El pre-tratamiento biológico se realiza mediante tratamiento con complejos enzimáticos y/o tratamiento con enzimas para la remoción de pectinas. En una modalidad preferida, en el pre-tratamiento biológico se emplea lacasa junto con una solución buffer citrato a una concentración entre 0,05 y 0, 1M para garantizar un pH entre 4,0 y 6,0. La solución buffer se puede preparar adicionando entre 0,01 y 0,2 g/L de ácido cítrico y entre 0,01 y 0,05g/L de NaOH. El pre-tratamiento biológico se realiza a una temperatura entre 20 a 50°C durante 12 a 24 horas y con agitación constante entre 100 y 250 rpm. Con el pre- tratamiento biológico se degrada la lignina, exponiendo así la celulosa para los procesos de hidrólisis enzimática.
Finalizada la etapa de pre-tratamiento, los residuos agroindustriales se someten a una hidrólisis enzimática con alfa-amilasa, endo-amilasa, pululanasa, glucoamilasa, amiloglucosidasa (AMG), glucohidrolasa, celulasa y sus mezclas, hasta obtener un jarabe azucarado rico en glucosa. La hidrólisis enzimática se realiza a un pH entre 3,0 y 7,0 temperatura entre 35 y 95°C, agitación entre 100 y 250 rpm, con una relación enzima/sustrato entre 0,003 y 0,11% y un porcentaje de sólidos en base húmeda entre el 15% y 40%. El jarabe azucarado rico en glucosa obtenido de la etapa de hidrólisis enzimática, se separa de los sólidos residuales por filtración, centrifugación, decantación, coagulación, floculación, sedimentación o cualquier método conocido en la técnica, siendo la centrifugación el más preferido. El jarabe obtenido se concentra y se adecúa de acuerdo a las condiciones requeridas por la enzima empleada. Para efectos de la presente invención la adecuación consiste en un ajuste pH entre 6 y 8 y la adición de cofactores metálicos y orgánicos seleccionados de Mg 2+ , SO3 2" , Mn 2+ ,Fe 2+ , Fe 3+ , K 2+ ,Mo, Ni 2+ , Se, Zn 2+ y mezclas de los mismos.
Finalmente, el jarabe azucarado concentrado se somete a una etapa de isomerización enzimática con isomerasas a una temperatura entre 35 y 95°C, agitación entre 100 y 250 rpm, pH entre 3,0 y 7,0, relación enzima/sustrato entre 0,003 y 0,11% y un porcentaje de sólidos en base húmeda entre 15 y 25%.
La presente invención será presentada en detalle a través de los siguientes ejemplos, los cuales son suministrados solamente con propósitos ilustrativos y no con el objetivo de limitar su alcance. EJEMPLOS
E jemplo 1: Caracterización de los residuos agroindustriales Se pesó 1 kg de residuos agroindustriales, se molieron en un molino de cuchilla y se almacenaron. Para caracterizar los residuos agroindustriales (v.g. amiláceos, lignocelulósicos) y determinar la cantidad de enzima necesaria en la etapa de hidrólisis enzimática, se molieron 45g hasta un tamaño de partícula aproximado de 2mm. Los resultados de la caracterización para dos muestras: una de residuos agroindustriales amiláceos y la otra de residuos agroindustriales lignocelulósicos, se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1.
Ejemplo 2: Pre-tratamiento físico de residuos agroindustriales
Los residuos agroindustriales caracterizados según el Ejemplo 1, se sometieron a un pre- tratamiento físico, en el cual se molieron 500g de los residuos agroindustriales con un molino de cuchillas VOGES modelo JM (potencia 3HP) hasta un tamaño de partícula aproximado entre 5 y lOmm, el cual se determinó por granulometría. El Diagrama de distribución de partículas de los residuos agroindustriales amiláceos se muestra en la FIG. 2 y de los residuos agroindustriales lignocelulósicos se muestra en la FIG.3. Ejemplo 3: Pre-tratamiento químico por gelatinización
Los residuos agroindustriales amiláceos caracterizados en el Ejemplo 1 se sometieron a un pre-tratamiento químico por gelatinización. Se preparó 1 Litro de solución Buffer se preparó adicionando 11.61g/L de ácido fumárico, 50 ppm de cloruro de calcio como cofactor de la enzima y 8,0 g/L de NaOH, y se ajustó el pH a 5,7.
Se pesaron 99g de los residuos agroindustriales molidos, de acuerdo al Ejemplo 2, se dispusieron en un reactor y se adicionó la solución buffer hasta completar un volumen de reacción de 500ml. La mezcla de los residuos agroindustriales y el buffer se gelificó por 15 minutos a 95 °C con agitación constante de 150rpm en un equipo de baño maría.
Ejemplo 4: Hidrólisis enzimática de residuos agroindustriales amiláceos
Los residuos agroindustriales amiláceos obtenidos según el Ejemplo 3, se sometieron a hidrólisis enzimática en dos etapas; la primera con la enzima alfa-amilasa y la segunda con la enzima glucoamilasa. Para la primera etapa de hidrólisis enzimática, se adicionaron 0,0303mL de la enzima alfa-amilasa (0,08 p/p relación enzima/sustrato).
La hidrólisis se realizó a 95°C, agitación orbital de 150 rpm por un periodo de 2 horas.
Para la segunda etapa de hidrólisis, se ajustó el pH a 4,3 con la adición de ácido fumárico y 0,0439mL de glucoamilasa (0,l l p/p relación enzima/sustrato) a 62°C, agitación orbital de 150 rpm y durante 1 hora, hasta obtener un jarabe azucarado.
El jarabe obtenido se centrifugó a 10000 rpm durante 10 minutos para eliminar los sólidos restantes y se filtró utilizando membranas de 0,4um y luego se ajustó el pH a 7,5 con hidróxido de sodio y se adicionó al jarabe 0,6 g/L de MgS0.7H 2 0 y lmg/L de Na2S0 4 como cofactores de la enzima isomerasa.
Ejemplo 5: Pre-tratamiento químico con ácido diluido Los residuos agroindustriales lignocelulósicos caracterizados según el Ejemplo 1 se sometieron a un pre-tratamiento químico con ácido diluido. Para esto se pesaron 20g de residuos agroindustriales molidos y se transfirieron, junto con 180ml de una solución de ácido diluido de H2SO4 al 0,85 p/p, a un reactor de hidrólisis ácida con control de temperatura y presión. La hidrólisis ácida se realizó a una temperatura de 164°C, con agitación de lOOrpm por un periodo de reacción de 5 minutos. Ejemplo 6: Pre-tratamiento biológico
Los residuos agroindustriales lignocelulósicos caracterizados según el Ejemplo 1 se sometieron a un pre-tratamiento bilógico con la enzima lacasa proveniente del hongo Fusarium spp. A 5g de residuos agroindustriales con un porcentaje de sólidos de 87,62% se les adicionaron 0,923mL de lacasa con una actividad enzimática de 0,2U/L y específica de l,4U/g, junto con 45ml de buffer citrato a un pH de 5,0 con agitación orbital de 150rpm y 40°C de temperatura, por un periodo de 12horas. La solución buffer se preparó adicionando 0,105g de ácido cítrico y 0,03g de NaOH a un 1L de agua. Ejemplo 7: Hidrólisis enzimática de residuos agroindustriales lignocelulósicos
Los residuos agroindustriales del Ejemplo 5 y 6, se sometieron a hidrólisis enzimática con 0,77ml de la enzima celulasa Celluclast® (Novozymes) con una relación enzima/sustrato de 0,23%(p/p). La hidrólisis se realizó según el protocolo de Enzymatic Saccharification of lignocellulosic biomass NREL/TP 510-42629 con un porcentaje de sólidos de 10% de los residuos previamente pre-tratados, a un volumen de operación de lOOmL en un Erlenmeyer de 250mL y un buffer citrato de sodio 0,1M a pH 4,8 y 50°C por un periodo de 72 horas, hasta obtener un jarabe azucarado. La solución buffer se preparó adicionando 0,105 g de ácido cítrico y 0,03g de NaOH a 1L de agua.
El jarabe obtenido se pasó por una membrana de microfiltración cerámica de a-alúmina con tamaño de poro de 0,8 mieras y una presión transmembrana de 0,15MPa. Posteriormente se ajustó el pH a 7,5 unidades con hidróxido de sodio y se adicionaron al jarabe 0,6 g/L de MgS0.7H 2 0 y lmg/L de Na 2 S0 4 . Ejemplo 8: Isomerización enzimática
El jarabe obtenido en el ejemplo 4 y 7, se concentró en un rotaevaporador hasta alcanzar una concentración de glucosa entre 40 y 90% p/p. Posteriormente al jarabe concentrado se sometió a una etapa de isomerización enzimática, donde se adicionó isomerasa con una relación enzima/sustrato de 0,2%p/p, a una temperatura de 60°C y agitación del50rpm por un periodo de 3 horas.
Al jarabe resultante se le adicionó una solución de carbón activado en polvo al l%p/p con agitación orbital a 150rpm a 40°C durante 30 minutos, para eliminar color, olor y sabor residual de la isomerización. Para retirar el carbón activado, se filtró el jarabe empleando una membrana de 0,4um para obtener así un jarabe de mezclas de isómeros de glucosa con las características indicadas en la Tabla 2.
Tabla. 2