Ферментативное получение органических соединений с использованием декстринсодержащих сред

Ферментативное получение органических соединений с использованием декстринсодержащих сред

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение касается ферментативного получения органических соединений по меньшей мере с 3 атомами углерода или по меньшей мере с 2 атомами углерода и по меньшей мере 1 атомом азота с использованием декстринсодержащей среды, включающей в себя по меньшей мере часть не содержащих крахмала твердых компонентов источника крахмала, для культивирования микроорганизмов.

Содержащие сахар жидкие среды представляют собой основной источник питательных веществ для множества способов ферментации, используемые микроорганизмы метаболизируют содержащиеся в средах сахара, и при этом получают конечные органические продукты. Ассортимент синтезируемых таким образом продуктов микробного метаболизма, т.е, органических соединений, включает при этом, например, летучие низкомолекулярные соединения, например этанол, нелетучие продукты метаболизма, например аминокислоты, витамины и каротиноиды, а также множество других веществ.

Для таких общеизвестных способов ферментации с использованием микроорганизмов в зависимости от условий процесса используют различные источники углерода. Разнообразные варианты включают в себя чистую сахарозу, мелассу из свекловичного и тростникового сахара, так называемые «high test molasses» (высокосахаристые мелассы, обращенные тростниково-сахарные мелассы), вплоть до глюкозы из гидролизатов крахмала. Кроме того, для биотехнологического получения L-лизина в качестве дополнительных субстратов, применение которых возможно в технических масштабах, следует упомянуть уксусную кислоту и этанол (Pfefferle et al., Biotechnogical Manufacture of Lysine, Advances in Biochemical Engineerinr/Biotechnology, Vol.79 (2003), 59-112).

На использовании указанных источников углерода основаны различные методы и способы ферментативного получения нелетучих продуктов микробного метаболизма на базе сахара. На примере L-лизина, Pfefferle et al. (указ соч.) описывают эти процессы с точки зрения развития штаммов, процесса и промышленного производства.

Важным источником ферментативного получения продуктов микробного метаболизма, опосредованного микроорганизмами, является крахмал. Прежде чем его можно будет использовать как источник углерода в ферментации, на предшествующих этапах реакции его необходимо подвергнуть сжижению и осахариванию. Крахмал для этих целей получают из природных источников крахмала, например картофеля, маниока, злаков, например пшеницы, кукурузы, ячменя, ржи, тритикале или риса, обычно прошедших предварительную очистку (мойку), а затем ферментативным способом сжижают и осахаривают, чтобы использовать его затем собственно в ферментации для получения желаемых продуктов метаболизма.

Помимо использования источников крахмала, прошедших такую предварительную очистку, описано также применение источников крахмала, не прошедших предварительную обработку, для создания источников углерода для ферментативного получения продуктов микробного метаболизма. Обычно источники крахмала при этом сначала измельчают размолом. Продукт помола затем подвергают сжижению и осахариванию. Поскольку этот продукт помола, естественно, состоит помимо крахмала еще и из ряда не содержащих крахмала компонентов, оказывающих отрицательное влияние на ферментацию, эти компоненты перед ферментацией обычно отделяют. Отделение можно проводить либо непосредственно после размола (международная заявка WO 02/277252; японские заявки JP 2001-072701; JP 56-169594; патент КНР CN 1218111), после сжижения (международная заявка WO 02/277252; патент КНР CN 1173541) или после осахаривания (патент КНР CN 1266102; Beukema et al: Production of fermentation syrups by enzymatic hydrolysis of potatoes; potatoe saccharification to give culture medium (Conference Abstract), Symp. Biotechnol. Res. Neth. (1983), 6; NL8302229). Во всех вариантах, однако, в ферментации используют гидролизат крахмала высокой очистки.

В более новых технологиях используют, в частности, улучшенные методы, которые должны обеспечить возможность очищать, например, сжиженные и осахаренные растворы крахмала перед ферментацией (патент Японии JP 57159500) или создавать ферментационные среды из возобновляемых ресурсов (европейский патент ЕР 1205557).

С другой стороны, широко известно масштабное применение необработанных источников крахмала при ферментативном получении биоэтанола. При этом источники крахмала, обычно целые зерна злаков, сначала подвергают сухому помолу, а затем гидролизуют содержащую крахмал часть источника крахмала с использованием ферментов. При этом гидролиз можно проводить как прерывистым образом, например, в котлах с мешалкой, так и непрерывно, например, в сопловых котлах. Описания соответствующих процессов приведены, например, в «The Alcohol Textbook - А reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries», Jaques et al (Hg.), Nottingham Univ. Press 1995, ISBN 1-8977676-735, Kapitel 2, S.7-23, и в McAloon et al., «Determining the cost of producing ethanol from corn starch and lignocellulosic feedstocks», NREL/TP-580-28893, National Renewable Energy Laboratory, October 2000.

Поскольку при ферментативном получении этанола биологического происхождения конечный продукт получают дистилляцией, использование источников крахмала в неочищенной форме после процессов сухого размола не представляет особой проблемы. При использовании же способа сухого размола для получения нелетучих продуктов микробного метаболизма возникает проблема, состоящая в потоке твердого вещества, вносимого сахарным раствором в ферментацию, поскольку оно может как отрицательно сказаться на ферментации, например, с точки зрения скорости кислородного обмена используемых микроорганизмов или их потребности в кислороде (ср. Mersmann, A. et al.: Selection and Design of Aerobic Bioreactors, Chem. Eng Technol. 13 (1990), 357-370), так и существенно осложнить последующую переработку.

Кроме того, из-за внесения твердых веществ уже при создании крахмалсодержащей суспензии возможно достижение критических величин вязкости используемой среды, ввиду чего гомогенное перемешивание, например, суспензии, содержащей более 30% масс. кукурузной муки в воде, невозможно (Industrial Enzymology, 2. Aufl., T.Godfrey, S West, 1996). Поэтому концентрация глюкозы при использовании обычных технологий ограничена. С точки зрения ферментативного получения биоэтанола это неважно, поскольку ввиду токсичности получаемого продукта для дрожжей, применяемых для ферментации, реакция при более высоких концентрациях все равно невозможна.

При ферментативном получении других органических продуктов метаболизма, кроме этанола, подавать на ферментацию содержащие сахар среды с низкой концентрацией сахара в принципе невыгодно, поскольку это ведет к непропорционально высокому разбавлению ферментационного бульона, а следовательно падает достигаемая конечная концентрация конечного продукта, что, с одной стороны, вызывает повышение расходов при его получении из ферментационной среды, а кроме того, снижается объемно-временной выход. Эти соображения особенно важны в том случае, когда гидролизат крахмала, приготовленный для крупномасштабного производства биоэтанола, который обычно содержит сахар или глюкозу в низких концентрациях, примерно до 30 или 33%, частично необходимо подавать на дополнительную ферментацию в малом объеме для получения других химикатов.

С другой стороны, повышенные концентрации пригодных к метаболизации моносахаридов в ферментационной среде могут вести к ингибированию ферментации или роста микроорганизма, либо же иметь следствием изменение метаболизма применяемых микроорганизмов. В случае e.coli повышенная концентрация глюкозы ведет, например, к образованию органических кислот (ацетата), в то время как Saccharomyces cerevisae в этом случае, например, переключается на сбраживание, хотя в вентилируемых ферментаторах достаточно кислорода (эффект Крэбтри). Поэтому на этапе загрузки повышенные концентрации метаболизируемых моносахаридов в подаваемых на ферментацию средах, содержащих сахар, могут отрицательно влиять на ферментацию. Использование сред более высокой концентрации представляет собой проблему также и в порционной фазе, т.е. в фазе роста микроорганизмов в ферментационном составе, прежде чем питающий поток подаст на ферментацию новые сахара. Это обусловлено тем, что многим штаммам для роста необходима концентрация глюкозы, не превышающая 6% масс.

Ввиду этих сложностей и ограничений способы сухого размола, которые широко применяют для получения биоэтанола, не имеют до сих пор заметного экономического значения при ферментативном получении других продуктов метаболизма, помимо этанола.

В настоящий момент имеются описания попыток переноса концепции сухого размола и принципиальных преимуществ, связанных с этим способом, на получение продуктов микробного метаболизма в промышленных масштабах только при использовании маниока в качестве источника крахмала. Так, в японской патентной заявке JP 2001/275693 описан способ ферментативного получения аминокислот, при котором в качестве источника крахмала используют очищенные от кожуры клубни маниока, которые размалывают в сухом виде. Для проведения процесса по этому способу, однако, необходимо задать в продукте помола размер частиц не более 150 мкм. При используемой для этого фильтрации перед сжижением/осахариванием имеющегося крахмала и последующей ферментацией отделяют часть используемого продукта помола, включая не содержащие крахмала компоненты. При этом способе получают умеренные концентрации сахара. Подобный же способ описан в японской патентной заявке JP 2001/309751 для получения кормовой добавки, содержащей аминокислоту.

Повышения концентрации сахара в используемой для ферментации жидкой среде можно достичь при использовании для осахаривания продуктов размола, включающих в основном твердые не содержащие крахмала компоненты источника крахмала, с помощью способа, описанного заявителем в международной заявке WO 2005/116228 (РСТ/ЕР2005/005728). Неожиданно оказалось, что перед ферментацией нет необходимости в отделении содержащихся в источнике крахмала твердых, не содержащих крахмала компонентов. Схожий способ с применением источников крахмала, который выбирают из зерен злаков, описан в европейской заявке на патент РСТ/ЕР2006/066057 (ранней немецкой заявке на патент DE 102005042541.0) заявителя.

Таким образом, задача настоящего изобретения состояла в том, чтобы предложить еще один способ получения органических соединений посредством ферментации, который не требовал бы предварительного отделения или хотя бы не требовал предварительного полного отделения имеющихся в источнике крахмала твердых компонентов, не содержащих крахмала. В частности, способ должен иметь относительно небольшие затраты на оборудование и позволить использовать среды с высоким содержанием сахара. Кроме того, он должен отличаться простотой использования применяемых сред, а также избежать сложности их применение в ферментации. В особенности же способ должен позволять использовать в качестве источника крахмала зерновые культуры

Неожиданно было обнаружено, что способ ферментативного получения органических соединений, несмотря на свойственное ему большое количество вносимых твердых веществ, можно эффективно применять, если размолом источника крахмала и его сжижением без предварительного полного отделения не содержащих крахмала твердых компонентов источника крахмала создать содержащую декстрины среду (1) и без добавления осахаривающих ферментов использовать ее в ферментации Объектом изобретения, таким образом, является способ получения по меньшей мере одного органического соединения по меньшей мере с 3 атомами углерода или с по меньшей мере 2 атомами углерода и по меньшей мере одним атомом азота посредством ферментации, включающий в себя следующие этапы:

а1) размол источника крахмала с получением продукта помола, включающего по меньшей мере часть не содержащих крахмала твердых компонентов источника крахмала;

а2) приготовление суспензии продукта помола в жидкости на основе воды и сжижение содержащегося в жидкости на основе воды продукта помола в присутствии по меньшей мере одного осахаривающего крахмал фермента, причем получают содержащую декстрины водную среду (1), включающую по меньшей мере часть не содержащих крахмала твердых компонентов источника крахмала; и

b) использование содержащей декстрины водной среды (1) в ферментации для культивирования микроорганизма, способного к повышенному производству органического соединения,

причем ферменты, гидролизующие декстрины до моносахаридов, не добавляют или добавляют в количестве менее 0,001% масс. от общей массы используемого источника крахмала.

Несмотря на содержание не содержащих крахмала компонентов используемого источника крахмала в содержащей декстрины среде (1), способ ферментации согласно изобретению можно эффективно проводить без необходимости в добавлении осахаривающих ферментов. Можно, однако, добавлять небольшие количества, которых недостаточно для полного осахаривания, как правило, менее 0,001% масс., в частности менее 0,0005% масс., от общей массы используемого источника крахмала.

Ввиду использования декстринов для культивирования микроорганизма можно задать высокую концентрацию пригодных для метаболизации сахаров как в порционной фазе, так и в фазе подкормки, без того чтобы проявились нежелательные побочные реакции, так что можно избежать нежелательного разбавления ферментационного бульона. Кроме того, проблем, обусловленных вязкостью, которые возникают при сжижении источника крахмала при высоких концентрациях продукта помола, удается в основном избежать.

Здесь и в дальнейшем выражения «содержащая декстрины среда» и «содержащая декстрины жидкость» используют как синонимы. Специалисту понятно, что микроорганизм, используемый в ферментации, должен быть в состоянии метаболизировать декстрины, присутствующие в содержащей декстрины водной среде (1), без того чтобы возникла потребность гидролизовать их до дисахаридов и/или моносахаридов, добавляя извне осахаривающие ферменты. При этом микроорганизмы метаболизируют декстрины, предположительно после предварительного осахаривания их собственными осахаривающими ферментами штамма, например собственными глюкоамилазами штамма. Особо целесообразно в способе согласно изобретению в последнем случае, что во время ферментации происходит автоматическое согласование скорости осахаривания, в особенности высвобождения глюкозы, с потребностями микроорганизмов, с одной стороны, посредством количества биомассы, а с другой стороны, уровня экспрессии собственных осахаривающих ферментов штамма.

Термин «сжижение» здесь и ниже означает гидролитическое разложение крахмала до олигосахаридов, в частности до декстринов.

Термины «осахаривание» и «осахаривать» здесь и ниже означают гидролиз декстринов до моносахаридов, в частности до таких моносахаридов, как глюкоза. Под «осахаривающим ферментом» ниже подразумевают фермент, гидролизующий декстрины до моносахаридов.

Под термином «декстрин» здесь и ниже подразумевают олигосахариды, полученные гидролитической деградацией крахмала, которые состоят из 3-18, в особенности из 6-12 моносахаридных мономеров, в частности, из мономеров глюкозы.

Термины «содержание эквивалентов глюкозы» и «концентрация сахаров» означают общую концентрацию в среде моносахаридов, дисахаридов и олигосахаридов, потенциально доступных для ферментации. Термин «эквиваленты глюкозы» включает в себя также отличающиеся от глюкозы пригодные к метаболизации сахара или сахарные мономеры.

Термины «производящий с превышением» и «повышенное производство» здесь и ниже применяют к микроорганизму, чтобы охарактеризовать его свойство производить один или несколько продуктов своего метаболизма в количестве, которое превосходит количество, необходимое для размножения микроорганизма, благодаря чему в ферментационной среде идет обогащение, причем обогащение может быть внутриклеточным или внеклеточным.

Источниками крахмала для размола являются, в первую очередь, сухие плоды или семена зерновых, которые в сухом состоянии характеризуются долей крахмала не менее 40% масс., а предпочтительно не менее 50% масс. Сухие плоды или семена зерновых имеются во многих широкомасштабно культивируемых на сегодняшний день злаковых растениях, например кукурузе, пшенице, овсе, ячмене, ржи, тритикале, рисе и в различных сортах проса, например сорго и белом сорго. Предпочтительно выбирать источник крахмала из группы, включающей зерна кукурузы, ржи, тритикале и пшеницы. В принципе, способ согласно изобретению можно также применять и с использованием аналогичных источников крахмала, как, например, смеси различных содержащих крахмал плодов или семян зерновых.

Для получения содержащей декстрины жидкой среды на этапе а1) конкретный источник крахмала с добавлением жидкости, например воды, или без нее размалывают, предпочтительно без добавления жидкости. Возможно также сочетание сухого размола с последующим мокрым размолом.

Для сухого размола, как правило, используют молотковые дробилки, роторные мельницы или вальцовые дробилки, для мокрого размола пригодны смесители, шаровые мельницы с мешалкой, циркуляционные мельницы, дисковые мельницы, мельницы с кольцевой камерой, вибрационные или планетарные мельницы. В принципе, возможно использование и других мельниц. Необходимое для мокрого размола количество жидкости специалист может определить в процессе лабораторных опытов. Обычно его задают так, чтобы содержание сухого вещества находилось в пределах от 10 до 20% масс.

С помощью размола задают размер частиц, пригодный для последующих этапов способа. При этом оказалось целесообразно, чтобы при размоле, особенно в случае сухого размола, продукт помола, получаемый на этапе I), содержал частицы муки, т.е. компоненты в виде частиц с размером в пределах от 100 до 630 мкм в количестве от 30 до 100% масс., предпочтительно, от 40 до 95% масс., а особо предпочтительно, от 50 до 90% масс. Целесообразно, чтобы полученный продукт помола содержал 50% масс., частиц муки размером более 100 мкм. Как правило, по меньшей мере 95% масс., полученных при размоле частиц муки, обладают размером менее 2 мм. Измерение размера частиц при этом проводят посредством ситового анализа с использованием вибрационной анализирующей машины. Малый размер частиц принципиально выгоден для достижения высокого выхода продукции. Слишком малый размер частиц, однако, может вызвать проблемы, в частности, ввиду образования агломератов при подмешивании продукта помола во время сжижения или последующей обработки, например при сушке твердых веществ после этапа ферментации.

Для обозначения видов муки обычно используют степень помола или тип муки, причем они соотносятся друг с другом так, что с ростом степени помола возрастает также и характеристическое число типа муки. Степень помола соответствует массе полученной муки относительно 100 частей размалываемого материала. В то время как на начальных этапах размола получают чистую и наиболее тонкую муку, например, из внутренней части зерна, при дальнейшем размоле, то есть при возрастании степени помола, возрастает доля грубых волокон и пленчатость (доля оболочек), а доля крахмала при этом уменьшается. Степень размола, следовательно, отображается также в так называемых типах муки, которые указывают в числах и используют для классификации муки, особенно муки злаковых, и которые основаны на содержании в муке золы (так называемая шкала зольности). Типы муки или номер типа при этом означает количество золя (минеральных веществ) в мг, которое остается при сжигании 100 г сухой муки. Для муки злаковых более высокий номер типа означает более высокую степень помола, поскольку внутренняя часть зерна злаковых содержит около 0,4% масс., а оболочка, напротив, около 5% масс. золя. Следовательно, при более низкой степени помола мука злаковых состоит преимущественно из измельченного эндосперма, т.е. крахмалистой части зерен злаковых; при более высокой степени помола мука злаковых содержит также измельченный алейроновый слой зерен злаковых, богатый белком, а в случае продуктов грубого дробления еще и компоненты зародышей, содержащие белок и жир, а также оболочек семян, содержащих грубые волокна и золы. Для целей согласно изобретению предпочтительны виды муки с высокой степенью помола либо высоким числом типа. Если в качестве источника крахмала используют злаковые, то предпочтительно размалывать и подвергать дальнейшей обработке целые неочищенные зерна, при необходимости, после предварительного механического отделения зародышей и лузги.

Согласно изобретению, используемый продукт помола содержит по меньшей мере часть, предпочтительно, не менее 20% масс., в частности, не менее 50% масс., в особых случаях, не менее 90% масс., а в весьма особых случаях, не менее 99% масс. имеющихся в размолотых зернах злаков не содержащих крахмал твердых компонентов, соответственно степени помола. При расчете относительно содержащих крахмал компонентов продукта помола (и, соответственно, относительно количества доступного для метаболизации сахара в среде М) доля не содержащих крахмал твердых компонентов предпочтительно составляет не менее 10% масс., в частности, не менее 15% масс., например, от 15 до 75% масс., а в особых случаях, от 20 до 60% масс.

Продукт помола, предназначенный для сжижения, на этапе а2) согласно изобретению смешивают с жидкостью на основе воды, например с чистой водой, рециркулированной водой из процесса, например из последующей ферментации, или со смесью этих жидкостей. При этом, как правило, получают водную суспензию. Как правило, с жидкостью на водной основе смешивают такое количество источника крахмала и продукта помола, чтобы полученная содержащая декстрины жидкость на основе воды (1) имела концентрацию эквивалентов глюкозы по меньшей мере 40% масс. от общей массы среды (1). Содержание сухой массы в полученной таким образом среде (1) обычно составляет по меньшей мере 50% масс. от общей массы среды (1).

Для проведения способа согласно изобретению возможно предварительно подогреть жидкость на водной основе, используемую для создания суспензии из твердого продукта помола, до несколько повышенной температуры, например, в пределах от 40 до 60°С. Предпочтительно, однако, использовать жидкость при комнатной температуре.

Для сжижения крахмальной доли в продукте помола согласно этапу а2) оказалось целесообразным перед началом помола смешивать с жидкостью на водной основе только часть всего продукта помола, а оставшийся продукт помола добавлять к жидкости на водной основе в непрерывном или периодическом режиме на протяжении сжижения.

Сжижение продукта помола согласно этапу а2) можно проводить обычными, известными специалисту методами, например согласно методам, описанным в цитированной вначале «The Alcohol Textbook - A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries», Kapitel 2, S.7 bis 23.

Согласно изобретению, сжижение на этапе а2) проводят в присутствии по меньшей мере одного сжижающего крахмал фермента. Для этого можно, в принципе, использовать все сжижающие крахмал ферменты, в частности α-амилазы (класс ферментов ЕС 3.2.1.1), например α-амилазы, которые получают из Bacillus lichenformis или Bacillus staerothermophilus, а в особенности ферменты, применяемые для сжижения материалов, получаемых способом сухого размола в процессе получения биоэтанола. Пригодные для сжижения α-амилазы также представлены на рынке, например, от фирмы Novozymes под торговым названием Termamyl 120 L, тип L; или от фирмы Genencor под обозначением Spezyme. Также можно использовать для сжижения сочетание различных α-амилаз.

При этом получают жидкость на водной основе, которая содержит сжиженную крахмальную долю продукта помола, обычно декстрины, как правило, с 3-18, в частности, с 6-12 моносахаридными мономерами, при необходимости, прочие олигосахариды, при необходимости небольшие количества моно- и/или дисахаридов (как правило, до 30% масс., нередко до 25% масс., до 20% масс., в частности, до 10% масс., от общего количества моно-, дисахаридов и олигосахаридов), а также не содержащие крахмала компоненты используемого продукта помола, в частности, твердые, не содержащие крахмала компоненты продукта помола, используемого для сжижения.

Целесообразно выбирать количества сжижающего крахмал фермента и продукта помола так, чтобы вязкость во время процесса желатинизации оказывалась снижена достаточно, чтобы было возможно эффективное перемешивание суспензии, например, мешалкой. Предпочтительно, чтобы вязкость реакционной смеси во время желатинизации составляла не более 20 Па·с, особо предпочтительно максимум 15 Па·с, а крайне предпочтительно максимум 8 Па·с. Измерение вязкости осуществляют, как правило, вискозиметром Haake типа Roto Visko RV20 с измерительной системой М5 и измерительным устройством MVDIN при температуре 50°С и скорости сдвига, составляющей 200 с^-1.

α-Амилаза (либо используемый фермент, сжижающий крахмал) может быть заранее помещена в реакционный сосуд или же добавлена во время проведения этапа а2). Предпочтительно часть α-амилазы, необходимой на этапе а2), добавляют в начале этапа а2) или же помещают эту часть в реактор заранее. Общее количество α-амилазы обычно лежит в пределах от 0,002 до 3,0% масс., предпочтительно, от 0,01 до 1,5% масс., а особо предпочтительно, от 0,02 до 0,5% масс., от общего количества используемого источника крахмала.

Сжижение можно проводить при температуре выше или ниже температуры желатинизации. Предпочтительно сжижение на этапе а2) проводят по крайней мере некоторое время выше температуры желатинизации используемого крахмала (так называемый Cooking Process). Необходимая для этого в случае конкретного вида крахмала температура известна специалисту (см. цитированную вначале «The Alcohol Textbook - A reference for the beverage, fuel and industrial alcohol industries», Kapitel 2, S.11) или может быть определена специалистом в процессе лабораторных опытов. Как правило, выбирают температуру в пределах от 80 до 165°С, предпочтительно, от 90 до 150°С, а особо предпочтительно, от 100 до 140°С, причем предпочтительно, чтобы температура превышала такую желатинизации по меньшей мере на 5 К, предпочтительно, не менее чем на 10 К, а особо предпочтительно, не менее чем на 20 К, например, на величину 10-100 К, в частности, на 20, 80 К. При таких температурах происходит разрушение зернистой структуры крахмала (желатинизация), благодаря чему становится возможно его ферментативное расщепление (сжижение)

Для оптимизации эффективности α-амилазы (или используемого сжижающего крахмал фермента) этап а2) целесообразно проводить по меньшей мере на протяжении некоторого времени при величине рН, оптимальной для сжижающего фермента, обычно при величине рН, лежащей в слабокислой области, предпочтительно между 4,0 и 7,0, особо предпочтительно от 5,0 до 6,5, причем обычно в начале этапа ii) или перед ним устанавливают величину рН; эту величину целесообразно контролировать и, при необходимости, корректировать во время сжижения. Установку величины рН предпочтительно проводить с помощью разбавленных минеральных кислот, например H₂SO₄ или Н₃РO₄, либо же с помощью разведенных щелочей, например водного раствора едкого натра (NaOH) или едкого кали (КОН)

В предпочтительной форме исполнения для сжижения доли крахмала в продукте помола на этапе а2) на протяжении сжижения периодическим или непрерывным способом добавляют в жидкость на водной основе по меньшей мере часть продукта помола, предпочтительно, не менее 40% масс., в частности, не менее 50% масс., а крайне предпочтительно, не менее 55% масс. Добавленное количество продукта помола не должно превышать 90% масс., в частности, 85% масс., а особо предпочтительно, 80% масс. Обычно часть продукта помола, добавляемую в реактор в процессе сжижения, вводят в тех условиях, которые и имеются при сжижении. Добавление можно осуществлять периодическим способом, т.е. частями в виде нескольких порций, которые в каждом случае составляют не более 30% масс., особо предпочтительно, не более 20% масс., например от 1 до 30% масс. в особенности, от 2 до 20%, общего количества подлежащего сжижению продукта помола, или же непрерывно В рамках изобретения существенно, чтобы к началу сжижения в реакторе находилась только часть продукта помола, предпочтительно не более 60% масс., в особенности, не более 50% масс., а особо предпочтительно, не более 45% масс. продукта помола, а остальное количество продукта помола добавляли во время сжижения.

Сжижение также можно проводить непрерывно, например в многоступенчатом каскаде реакций.

В предпочтительной форме исполнения этап а2) способа согласно изобретению проводят так, чтобы часть, составляющую не более 60% масс., предпочтительно, максимум 50% масс., а особо предпочтительно, максимум 45% масс., например, от 10 до 60% масс., в особенности, от 15 до 50% масс., а особо предпочтительно, 20-45% масс., от общего количества продукта помола, вначале развести с созданием суспензии в жидкости на основе воды, например в чистой воде, рециркулированной воде из процесса, например из ферментации или из последующей обработки, или в смеси этих жидкостей, а затем проводить сжижение.

В предпочтительной форме исполнения добавление, периодическое или непрерывное, в частности порционное, продукта помола осуществляют в присутствии по меньшей мере одной α-амилазы таким образом, чтобы вязкость жидкой среды составляла не более 20 Па·с, особо предпочтительно максимум 15 Па·с и крайне предпочтительно не более 8 Па·с. Для поддержания контроля вязкости оказалось целесообразно добавлять по меньшей мере 25% масс., предпочтительно, не менее 35% масс. и особо предпочтительно, не менее 50%масс. общего количества добавляемого продукта помола при температуре выше температуры желатинизации содержащегося в продукте помола крахмала. На управление вязкостью можно также влиять, добавляя по меньшей мере один фермент, сжижающий крахмал, предпочтительно α-амилазу, или/и по меньшей мере один осахаривающий фермент, предпочтительно глюкоамилазу, также порциями.

Для осуществления способа согласно изобретению жидкость на водной основе, используемая для приготовления суспензии твердого продукта помола, может быть предварительно подогрета до слегка повышенной температуры, например, в пределах от 40 до 60°С.Предпочтительно, однако, использоать жидкости при комнатной температуре.

Затем в эту суспензию вводят по меньшей мере один фермент, сжижающий крахмал, предпочтительно α-амилазу. Если часть продукта помола добавляют только в течение сжижения, то сначала целесообразно добавлять лишь часть α-амилазы, например, от 10 до 70% масс., а в особенности от 20 до 65% масс., от общего количества применяемой на этапе а2) α-амилазы. Добавленное к этому моменту количество α-амилазы задают соответственно активности конкретной α-амилазы относительно используемого источника крахмала с учетом условий реакции, оно располагается обычно в пределах от 0,0004 до 2,0% масс., предпочтительно, от 0,001 до 1,0% масс., а особо предпочтительно, от 0,02 до 0,3% масс., от общего количества используемого источника крахмала. В качестве альтернативы можно смешать эту часть α-амилазы с используемой жидкостью перед приготовлением суспензии.

При этом целесообразно добавлять часть α-амилазы в суспензию перед началом нагрева до температуры, имеющей место при сжижении, в частности, при комнатной температуре или при лишь слегка повышенной температуре, например, в пределах от 20 до 30°С.

Приготовленную таким образом суспензию целесообразно затем нагреть до температуры, превышающей температуру желатинизации используемого крахмала. Как правило, выбирают температуру в пределах от 80 до 165°С, предпочтительно, от 90 до 150°С, а особо предпочтительно, от 100 до 140°С, причем предпочтительно, чтобы температура превышала температуру желатинизации по меньшей мере на 5 К, предпочтительно, не менее, чем на 10 К, а особо предпочтительно, не менее, чем на 20 К, например, на величину 10-100 К, в частности, на 20-80 К Контролируя вязкость, при необходимости, последовательно добавляют в содержащую крахмал суспензию дальнейшие количества источника крахмала, например, порциями, составляющими в каждом случае от 1 до 30% масс., а особенно, от 2 до 20% масс. от общего количества используемого продукта помола. Предпочтительно в этом случае добавлять в реакционную смесь в процессе сжижения подлежащую введению долю продукта помола не менее чем 2, предпочтительно, не менее чем 4 и особо предпочтительно, не менее чем 6 порциями. В качестве альтернативы можно осуществлять добавление части продукта помола, не введенной при приготовлении суспензии, непрерывно в процессе сжижения. Температуру при введении целесообразно поддерживать выше температуры желатинизации крахмала.

После достижения желаемой температуры или, при необходимости, после добавления всего количества муки реакционную смесь обычно некоторое время, например от 10 до 60 минут или дольше, если это необходимо, выдерживают при температуре, установленной выше температуры желатинизации крахмала, при этом крахмальные компоненты продукта помола вывариваются. Затем реакционную смесь, как правило, охлаждают до несколько более низкой температуры, но все же предпочтительно превышающей температуру желатинизации, например, до 70-90°С. После этого добавляют еще одну часть α-амилазы, предпочтительно, основную часть. В зависимости от активности используемой α-амилазы при условиях реакции количество α-амилазы, добавляемой в этот момент, предпочтительно составляет от 0,002 до 2,0% масс., особо предпочтительно, от 0,01 до 1,0% масс., а крайне предпочтительно, от 0,02 до 0,4% масс., от общего количества используемого источника крахмала.

Для полного расщепления крахмала до декстринов реакционную смесь выдерживают при заданной температуре, пока тест на крахмал с использованием йода или, при необходимости, иной тест на наличие крахмала не даст отрицательный или в основном отрицательный результат. При необходимости, в реакционную смесь при этом можно ввести еще одну или несколько порций α-амилазы, например, в пределах от 0,001 до 0,5% масс., а предпочтительно, от 0,002 до 0,2% масс., от общего количества используемого источника крахмала.

В качестве альтернативы для сжижения доли крахмала водную суспензию, содержащую продукт помола, можно сначала нагреть до температуры, превышающей температуру клейстеризации крахмала, который содержится в источнике крахмала или в продукте помола, путем введения водяного пара. Обычно нагрев проводят до температуры, которая превышает конкретную температуру клейстеризации по меньшей мере на 10 К, в особенности, по меньшей мере на 20 К, например, на величину от 10 до 100 К, в частности, на 20-80 К. В частности, суспензию нагревают до температур, лежащих в пределах от 90 до 150°С, и в особенности, в пределах от 100 до 140°С.

Пар, используемый для нагрева, как правило, представляет собой перегретый водяной пар, температура которого составляет по меньшей мере 105°С, в особенности, по меньшей мере 110°С, например, от 110 до 210°С. Целесообразно вводить пар в суспензию под повышенным давлением. Соответственно, предпочтительное давление пара составляет по меньшей мере 1,5 бар, например, от 1,5 до 16 бар, в особенности, от 2 до 12 бар.

Введение водяного пара в суспензию, как правило, осуществляют так, чтобы он поступал под избыточным давлением, предпочтительно, под избыточным давлением, составляющим от 1 до 10 или 11 бар, в частности, от 1,5 до 5 бар и предпочтительно с высокой скоростью. Благодаря введению пара суспензия мгновенно нагревается до температур более 90°С, то есть до температур, превышающих температуру клейстеризации.

Нагревание водяным паром целесообразно проводить в устройстве, работающем непрерывно, в которое непрерывно же под определенным давлением подают суспензию, причем давление определяют на основе вязкости суспензии, скорости подачи и геометрических характеристик устройства, а в области ввода суспензии в устройство подают через регулируемое сопло горячий пар под давлением, избыточным по сравнению с давлением подачи суспензии. Благодаря тому, что пар подают под избыточным давлением, происходит не только нагрев суспензии, но в нее еще и поступает механическая энергия, способствующая дальнейшему измельчению частиц продукта помола, обеспечивающая особо равномерное введение энергии и, соответственно, дающая в итоге особо равномерную клейстеризацию гранулярных частиц крахмала в продукте помола. Обычно такие устройства имеют форму трубы. Целесообразно осуществлять подачу пара в направлении продольной оси устройства, имеющего форму трубы. Ввод суспензии, как правило, осуществ