Fed-batch simultaneous saccharification and ethanol fermentation of native corn starch

• Autorzy: Szymanowska D. , Grajek W.

Warianty tytułu

PL

Jednoczesna hydroliza i fermentacja etanolowa natywnej skrobi kukurydzianej metoda okresowo-dolewowa

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Background. The most important innovations in boethanol production in the last decade were: simultaneous saccharification and fermentation processes (SSF), high gravity fermentation, the use of new enzyme preparation able to hydrolyse native granular starch and construction of genetically modified strains of microorganisms able to carry out simultaneous production of hydrolytic enzymes and fermentation of C6 and C5 sugars. The aim of this study was to assess the efficiency of ethanol fermentation using new type of amylolytic enzymes able to hydrolyse native corn starch in a SSF process. Material and methods. The simultaneous saccharification and fermentation of raw corn flour by fed-batch processes using Saccharomyces cerevisiae strain Red Star Ethanol Red and Stargen 001 enzyme preparation was performed. As experimental variable were investigated: fermentation temperature (35-37-40°C), rate of mash stirring (100 and 200 rpm), fermentation time (0-92 h) and dosage of corn flour (different portion and different time). Results. It was found that optimal temperature for fed-batch SSF process was 37°C at initial pH of 5.0. However, the yeast intensively fermented the saccharides also at 40°C. The fermentation stirring rate has significant effect on starch utilization and fermentation production. The prolongation of fermentation time over 72 h has no substantiation in additional ethanol production. In all experimental fermentations the level of produced organic acids was very low, significantly below toxic concentration for the yeast. Conclusions. It was stated that the use of new method of starch raw material preparation resulted in satisfied fermentation yield and allowed to reduce energy requirements for starch liquefaction

PL

Wstęp. W ostatnim dziesięcioleciu najważniejszymi innowacjami w dziedzinie produkcji bioetanolu był proces jednoczesnej hydrolizy polisacharydów i fermentacji (SSF), opanowanie metody fermentacji gęstych zacierów, wprowadzenie nowych preparatów enzymatycznych zdolnych do hydrolizy natywnej skrobi oraz opracowanie mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie zdolnych do jednoczesnej produkcji enzymów amylolitycznych i fermentacji cukrów pięcio- i sześciowęglowych. Celem podjętych badań było określenie efektywności fermentacji etanolowej z użyciem nowych enzymów hydrolizujących natywną skrobię w procesie SSF prowadzonym metodą okresowo-dolewową. Materiały i metody. Przeprowadzono jednoczesną hydrolizę enzymatyczną i fermentację etanolową (SSF) metodą okresowo-dolewową, stosując natywną mączkę kukurydzianą oraz drożdże gorzelnicze Saccharomyces cerevisiae szczep Ethanol Red i preparat amylolityczny Stargen 001. Zmiennymi doświadczalnymi były temperatura fermentacji (35-37- 40°C), szybkość mieszania zacieru (100 i 200 obr/min), czas fermentacji (0-92 h) i dawka mączki kukurydzianej (różne dawki i różny czas wprowadzania dawki). Wyniki. Stwierdzono, że optymalną temperaturą prowadzonego procesu było 37°C i początkowe pH zacieru 5.0, jakkolwiek drożdże fermentowały intensywnie cukry nawet w temperaturze 40°C. Istotny wpływ na wykorzystanie skrobi i wydajność etanolu miała szybkość mieszania zacieru. Wydłużenie czasu fermentacji ponad 72 h nie przekładało się na znaczące zwiększenie ilości wytworzonego etanolu. We wszystkich eksperymentach końcowe stężenie kwasów organicznych było bardzo małe, znacznie poniżej stężenia toksycznego dla drożdży. Wnioski. Stwierdzono, że zastosowanie nowej metody przygotowania surowca skrobiowego pozwoliło na uzyskanie dobrej wydajności fermentacji i pozwoliło na zmniejszenie zapotrzebowania na energię niezbędną do upłynnienia skrobi

Słowa kluczowe

EN

fed-batch fermentation; simultaneous saccharification; ethanol; fermentation process; native starch; corn starch; Saccharomyces cerevisiae

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Scientiarum Polonorum. Technologia Alimentaria
• Rocznik: 2009
• Tom: 08
• Numer: 4
• Opis fizyczny: p.5-16,ref.

Twórcy

autor

Szymanowska D.

• Poznan University of Life Sciences, Wojska Polskiego 48, 60-627 Poznan, Poland

autor

Grajek W.

• Poznan University of Life Sciences, Wojska Polskiego 48, 60-627 Poznan, Poland

Bibliografia

• Alfenore S., Cameleyre X., Benbadis L., Bideaux C., Uribelarrea J.-L., Goma G., Molina-Jouve C., 2004. Aeration strategy: a need for very high ethanol performance in Saccharomyces cerevisdiae fed-batch process. Appl. Microbiol. Biotechnol. 63, 537.
• Altintas M.M., Ülgen K.Ö., Kirdar B., Önsan Z.I., Oliver S.G., 2002. Improvement of ethanol production from starch by recombinant yeast through manipulation of environmental factors. Enzyme Microb. Technol. 31, 640.
• Arpornwichanop A., Shomchoam N., 2007. Studies on optimal approach in fed-batch fermentation. Korean J. Chem. Eng. 24(1), 11.
• Carvalho J.C.M., Vitolo M., Sato S., Aquarone E., 2003. Ethanol production by Saccharomyces cerevisiae grown in sugarcane blackstrap molasses through a fed-batch process. Appl. Biochem. Biotechnol. 110, 151.
• Chen J.-P., Wu K.-W., Fukuda H., 2008. Bioethanol production from uncooked raw starch by immobilized surface-engineered yeast cells. Appl. Biochem. Biotechnol. 145, 59.
• Couallier E.M., Payot T., Bertin A.P., Lameloise M.L., 2006. Recycling of distillery effluents in alcoholic fermentation. Appl. Biochem. Biotechnol. 133, 217.
• Demirbas A., 2007. Progress and recent trends in biofuels. Progress Energy Combust. Sci. 33, 1.
• Echegaray O.F., Carvalho J.C.M., Fernandes A.N.R., Sato S., Aquarone E., Vitolo M., 2000. Fedbatch culture of Saccharomyces cerevisiae in sugar-cane blackstrap molasses: invertase activity of intact cells in ethanol fermentation. Biomass Energy 19, 39.
• Enzyme firms eye ethanol. 2005. Chem. Eng. News 83(28), 6.
• Ferrari M.D., Loperena L., Varela H., 1994. Ethanol production from concentrated whey permeate using a fed-batch culture of Kluyveromyces fragilis. Biotechnol. Lett. 16, 205.
• Genecor lauches new ethanol technology. 2005. Chimie Pharma Hebdo 16, 6.
• Goyal N., Gupta J.K., Soni S.K., 2005. A novel raw starch digesting thermostable α-amylase from Bacillus sp. I-3 and its use in the direct hydrolysis of raw potato starch. Enzyme Microbial Technol. 37, 723.
• Holm J., Björck I., Drews A., 1986. A rapid method for the analysis of starch. Starch-Stärke 38, 224.
• Horiuchi J.-I., Yamauchi N., Osugi M., Kanno T., Kobayashi M., Kuriyama H., 2000. Onion alcohol production by repeated batch process using a flocculating yeast. Biores. Technol. 75, 153.
• Kheshgi H.S., Prince R.C., 2005. Sequestration of fermentation CO2 from ethanol production. Energy 30, 1865.
• Kroumov A.D., M’Odenes A.N., de Araujo Tait M.C., 2005. Development of new unstructured model for simultaneous saccharification and fermentation of starch to ethanol by recombinant strain. Biochem. Eng. J. 28, 243.
• Kumar M., 2008. Native grain amylases in enzyme combinations for granular starch hydrolysis. Patent US 2007/017485 (WO208021050). Publication date: 21.02.2008.
• Lee J., Lee S.Y., Park S., Middelberg A.P.J., 1999. Control of fed-batch fermentations. Biotechnol. Adv. 17, 29.
• Lu X., Li Y., Duan Z., Shi Z., Mao Z., 2003. A novel, repeated fed-batch ethanol production system with extremely long term stability achieved by full recycling fermented supernatants. Biotechnol. Lett. 25, 1819.
• Mensonides F.I.C., Schuurmans J.M., Teixeria de Mattos M.J., Hellingwerf K.J., Brul S., 2002. The metabolic response of Saccharomyces cerevisiae to continuous heat stress. Mol. Biol. Rep. 29, 103.
• Miller G.L., 1995. Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar. Analyt. Chem. 31, 426-428.
• Mitchinson C., 2008. Development of improved enzymes for bio-refinery. esEGP5, Norwich, UK, 2.04.2008.
• Mitsuiki S., Mukae K., Sakai M., Goto M., Hayashida S., Furukawa K., 2005. Comparative characterization of raw starch hydrolyzing α-amylases from various Bacillus strains. Enzyme Microb. Technol. 37, 410.
• Montesinos T., Navarro J.-M., 2000. Production of alcohol from raw wheat flour by amyloglucosidase and Saccharomyces cerevisiae. Enzyme Microb. Technol. 27, 362.
• Narendranath N.V., Thomas K.C., Ingledew W.M., 2001. Effects of acetic acid and lactic acid on the growth of Saccharomyces cerevisiae in a minimal medium. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 26, 171.
• Nikolic´S., Mojovic L., Rakin M., Pejin D., 2009. Bioethanol production from corn meal by simultaneous enzymatic saccharification and fermentation with immobilized cells of Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus. Fuel 88, 1602.
• Oh G., Moo-Young M., Chisti Y., 1998. Automated fed-batch culture of recombinant Saccharomyces cerevisiae based on on-line monitored maximum substarte uptake rate. Biochem. Eng. J. 1, 211.
• Ozmihci S., Kargi F., 2007. Ethanol fermentation of cheese whey powder solution by repeated fed-batch operation. Enzyme Microb. Technol. 41, 169.
• Roukas T., 1996. Ethanol production from non-sterilized beet molasses by free and immobilized Saccharomyces cerevisiae cells using fed-batch culture. J. Food Eng. 27, 87.
• Roy S., Gudi R.D., Venkatesh K.V., Shah S.S., 2001. Optimal control strategies for simultaneous saccharification and fermentation of starch. Process Biochem. 36, 713.
• Sakurai H., Fukasawa T., 2001. A novel domain of the yeast heat shock factor that regulates its activation function. Biochem. Biophys. Res. Commun. 285, 696.
• Sarikaya E., Higasa T., Adachi M., Mikami B., 2000. Comparison of degradation abilities of aand b-amylases on raw starch granules. Process Biochem. 35, 711.
• Schell D.J., Dowe N., Ibsen K.N., Riley C.J., Ruth M.F., Lumbkin R.E., 2007. Contaminant occurrence, identification and control in a pilot-scale corn fiber to ethanol conversion process. Biores. Technol. 98, 2942.
• Shariffa Y.N., Karim A.A., Fazilah A., Zaidul I.S.M., 2009. Enzymatic hydrolysis of granular native and mildly heat-treated tapioca and sweet potato starches at sub-gelatinization temperature. Food Hydrocoll. 23, 434.
• Srichuwonga R., Fujiwaraa M., Wanga X., Seyamaa T., Shiromaa R., Arakanea M., Mukojimab N., Tokuyasua K., 2009. Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of very high gravity (VHG) potato mash for the production of ethanol. Biomass Bioenergy 33, 890.
• Suresh K., Kiran Sree N., Rao L.V., 1999. Utilization of damaged sorghum and rice for ethanol production by simultaneous saccharification and fermentation. Bioresour. Technol. 68, 301.
• Tester R.F., Qi X., Karkalas J., 2006. Hydrolysis of native starches with amylases. Animal Feed Sci. Technol. 130, 39.
• Ülgen K., Saygili B., Önsan Z.J., Kirdar B., 2002. Bioconversion of starch into ethanol by a recombinant S. cerevisiae Strain YPB-AB. Process Biochem. 37(10), 1157-1168.
• Wang F.S., Shyu C.H., 1997. Optimal feed policy for fed-batch fermentation of ethanol production by Zymomonas mobilis. Bioprocess Eng. 17, 63.
• Williams J., 2006. Enzymes. Ethanol Producer Magazin, January, http://epm.texterity.com/epm/200601/?pg=30.
• Xiong Z., Zhang J., 2005. Optimal control of fed-batch process based on multiple neural networks. Appl. Intelligence 22, 149.