Optimising Bioethanol Production : How to minimise ... · Muchas de estas pérdidas pueden ser...

BetaTec Hopfenprodukte GmbHCONFIDENTIAL

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Optimising Bioethanol Production : How to minimise infection risk naturally

2nd European Bioethanol Technology Meeting,April 26, 2006

BetaTec Hop ProductsDipl.-Ing Lilith Rücklemailto: [email protected]


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How to minimise infection risk inbioethanol production

• Effects of lactobacilli on ethanol fermentation

• How to protect the yeast from stress factors

• Hop Acids as Natural Fermentation Aid

• Hop Acids in Bioethanol Production - Dosing Strategies


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Effects of lactobacilli on ethanol fermentation


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Most common bacteria found in mash

• > 90 % Lactobacillus ssp. Gram+• Bacillus ssp. Gram+• Weissella ssp. Gram+• Pediococcus ssp. Gram+• Streptococcus ssp. Gram+• Acetobacter ssp. Gram-• Clostridia ssp. Gram+


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Competition for sugars between bacteria and yeast

Glucose

YeastBacteria

Lactic Acid Ethanol2 CO2 2 Ethanol CO2Acetic Acid

Loss in ethanol yield!Loss in ethanol yield!


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The rat race for essential growth factors: Vitamins, FAN etc.

Yeast

Bacteria


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Bacteria duplicate 8 - 9 x faster than yeast

Yeast

Bacteria


efficient by nature

8

Fast bacteria growth affects yeast health

Yeast

Bacteria


efficient by nature

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Bacteria produce toxic metabolites

Glucose

YeastBacteria

Lactic Acid Ethanol2 CO2 2 Ethanol CO2

Loss in ethanol yield!Loss in ethanol yield!

Toxic for yeast !Toxic for yeast !


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Infections are expensive• Losses in ethanol yield due to lactic acid formation

• Lactic acid affects yeast performance and results in extended or stuck fermentation

• Lactic acid concentration determines the amount of backsetused for mashing

• Reduced quality of ethanol


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However, there is good news....


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Yeast

Bacteria

A yeast cell is approximately 50 x the size of a bacteria cell.


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Fast yeast growth does not leave sufficient nutrients for

bacteria

Yeast

Bacteria


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Healthy, fast growing yeast helps to inhibit bacteria growth and

achieve maximum ethanol yields


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Growth curve of microorganisms in a batch fermentation system

Number of viable cells


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Protect the yeast from stress factors!

→ Good yeast propagation management

→ Inhibit bacteria from proliferating and excreting toxic metabolites

→Avoid high osmotic pressure: SSF

→ Avoid nitrogen starvation: Supply yeast nutrients and FAN

→ Avoid carbon starvation in the stationary phase: Fermentation period

→ Avoid high fermentation temperatures

→ Avoid combination of stress factors with high ethanol content


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Yeast propagation management

• High yeast inoculum

• Acclimatization of yeast to the fermentation substrate

• Addition of yeast nutrients (FAN source)

• Transfer of yeast in the exponential growth phase


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Yeast propagation management

• Frequent preparation/ addition of new ADY (weekly)

• Frequent cleaning of yeast propagators /prefermenters

• Acid washing of yeast in combination with hop acidsduring yeast recycling

• Addition of hop acids as natural fermentation aidduring the propagation cycle


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Hop Acids as Fermentation Aid


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• bittering• aroma• conservation

Hops are a valuable component of beer and have been used in brewing since the middle ages


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Antibacterial Hop Compounds

• In general, β-acids tend to be more antibacterial than α-acids.

• α-acids are more soluble in water than β-acids.

ββ--acidsacidsαα--acidsacids

HH

OH O

OO

O

R

OH O

OHO

R


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CellCell

H+

H+

(Low pH)

(Higher pH)

H+

H+

H+H+H+

H+

H+

H+

H+H+

Glucose

pH-gradient

Inhibitory effect of Hop Acids


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CellCell

HopH

Hop-HH+

H+

(Low pH)

(Higher pH)

H+

H+

H+H+

HopHHopH

HopH

HopHH+

H+H+

H+

Hop¯̄ H+



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CellCell

HopHH+

H+

(Low pH)

(Higher pH)

H+

H+H+

H+H+

HopHHopH

HopH

HopH

H+

H+H+

H+

Hop¯̄

H+


Hop¯̄


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CellCell

H+Hop¯̄H+

H+

(Low pH)

(Low pH)

H+

H+ H+

H+H+

HopHHopH

HopH

HopHH+

H+

H+

H+

H+

H+

Inhibitory effect of Hop AcidsH+

H+

Glucose


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Hop Acids shield the yeast against competition for nutrients with bacteria

Yeast

Bacteria


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Hop Acid as Fermentation Aid- Dosing strategies


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Choose the appropriate hop product for your process

Activity and solubility of hop acids depend on the pH value

• IsoStab™: Best between pH 2.5 and pH 4.0→ Recommended for fermentation of starchy materials→ Excellent synergistic effect in acid washing of yeast

• LactoStab™: Best between pH 3.0 and pH 5.0→Recommended for fermentation of sugar beet/ sugar cane

substrates


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IsoStab™/ LactoStab™+ Sulfuric Acid

Sweet Mash

85 %

Fermenter

Sweet Mash

Treatment of the yeast propagator in batch fermentations


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Example 1 for treatment of the propagation tanks in continuous fermentation

Prefer-menter

60%

Fermenter 1

60%

Fermenter 2

70%

20% 80%

20%

100%

Sweet mash IsoStab™/ LactoStab™ Dosing point


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Example for intermittent treatment of the propagation tanks in continuous fermentation

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55

Fermentation time [h]

Con

cent

ratio

n Is

oSta

bTM [p

pm]

Prefermenter Fermenter 1 Fermenter 2


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IsoStab™/ LactoStab™ Dosing point

Example 2 for treatment of the propagation tanks in continuous fermentation

Prefer-menter

40%

Fermenter 1

65%

Fermenter 2

65%

100%

100%

100%

Sweet mash


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Example for intermittent treatment of the propagation tanks in continuous fermentation

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Fermentation time [h]

Con

cent

ratio

n Is

oSta

bTM [p

pm]

Prefermenter Fermenter 1 Fermenter 2


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Hop acids are thermostable and can be dosed at anpoint in your ethanol plant where infection occurs

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Filling time of Fermenter [h]

Con

cent

ratio

n Is

oSta

bTM [p

pm]

Liquefaction Saccharification Fermenter 1

Example for treatment of the liquefaction tank


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Forge ahead on the wayto cleaner fermentation


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Thank you very much!

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Biocidas Naturales para Fábricas de Azúcar de Caña

David Beddie, Miguel Pagliara Valz

Sumario

Un agente antibacterial de origen natural derivado del lúpulo, BetaStab®10 A, se ha desarrollado para

su uso en los molinos de caña. Este producto se ha utilizado durante varios años con éxito como

biocida en la Industria Azucarera de Remolacha. Siendo un producto de acción a niveles de partes por

millón (ppm), se constituye como una alternativa de costo efectivo a los biocidas químicos usuales.

BetaStab®10 A detiene en forma inmediata el crecimiento de bacterias que causan problemas, y puede

utilizarse en todas las areas del Ingenio, tales como los molinos, difusores, tazas y las rejillas del cosh-

cush. Leuconostoc es la bacteria contaminante de mayor presencia en los molinos de caña, cuyo

metabolismo resulta en la formación de dextrana y la consiguiente pérdida de azúcar. Bacillus es otra

bacteria que comúnmente presenta problemas en los ingenios, y tiene la habilidad de romper la cadena

del azúcar y formar ácido láctico y ácido acético. Se muestran resultados de la actividad del lúpulo y

otros biocidas comunes en la lucha contra estas bacterias.

Además, se han desarrollado otros productos de origen natural para su uso en destilerías y plantas de

etanol para combustible.

Introducción

La planta del lúpulo (humulus lupulus) crece en varios países alrededor del mundo y se ha utilizado en

la producción de cerveza durante muchos miles de años. Durante los últimos ocho años, se han

aprovechado las propiedades antibacterianas del lúpulo, utilizándolo para el control de infecciones

bacterianas en las fábricas de azúcar de caña (Pollach) y las destilerías. Al igual que con las fábricas de

azúcar de remolacha, la contaminacion bacteriana de los molinos de caña y las pérdiadas asociadas con

esta contaminación, han sido bien documentadas (Trost, van der Poel). De particular importancia es la

formación bacteriana de la dextrana y los problemas asociados en la fábrica (Ravno).

2

Objetivos Las pérdidas de azúcar por microorganismos en los molinos de caña, estan ubicadas en el orden de 0.1

a 1%. Muchas de estas pérdidas pueden ser evitadas con el uso de biocidas en conjunto con una buena

limpieza de los equipos. Para controlar contaminación microbiana, se disponen de un rango amplio de

biocidas, tales como carbamatos (Madsen), compuestos de amonio cuaternario (Richards),

glutyraldehido, formaldehido, dióxido de azufre, etc. El propósito de esta investigación es evaluar la

actividad relative de los biocidas naturals y los biocidas químicos sintéticos contra contaminantes

bacterianos claves hallados en los molinos de caña, con el objetivo de desarrollar nuevos y efectivos

biocidas para los molinos de caña.

Métodos Cepas Bacterianas: Leuconostoc mesenteroides subsp. dextranicum (DSM20187), Leuconostoc mesenteroides

subsp. mesenteroides (DSM20343) and Bacillus stearothermophilus (DSM22) se obtuvieron de la colección de

cultivos Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) GmbH en Alemania.

Medios de Cultivo: Cultivos de L. mesenteroides fueron incubados a 25°C bajo aereación en Man Rogosa Sharpe

medium (MRS) (Merck). Cultivos de B. stearothermophilus fueron incubados a 60°C bajo aereación en Brain

Heart Infusion medium (Oxoid).

Determinación de concentración minima inhibidora (MIC): La concentración minima inhibidora (MIC) se

determinó utilizando el ensayo de micro dilución para caldos. Brevemente, un cultivo de una noche se diluyó

apropiadamente para obtener OD600 = 1.0 (8 x 108 organismos), 30μl de este cultivo se agregó a 3ml caldo fresco

(dando una concentración final de aproximadamente 8 x 106 organismos) e incubado apropiadamente con

controles sin ingrediente activo pero el mismo volumen de 10% de solución de etanol. La posterior

cuantificación del crecimiento producto de la incubación, se logró midiendo la densidad óptica a 600nm. El MIC

se calculó como la concentración mínima requerida para una caída del 90% del OD con respecto al control.

3

Resultados y Discusion Leuconostoc species

Leuconostoc sp. es el principal causante de contaminación bacteriana en los molinos de caña, formando

dextrana. La formación de dextrana no solo provoca pérdidas de azúcar, sino también resulta en

resultados pobres en la clarificación y la filtración, problemas de viscosidad, un crecimiento pobre de

los cristales y flóculos en el azúcar producido.

La concentración minima inhibidora (MIC) para los beta acidos naturales del lúpulo y para los biocidas

de uso común contra el Leuconostoc se muestran en las figuras 1 y 2. Esta información demuestra que

en pruebas de laboratorio, menos

de 10ppm de beta ácidos se

requieren para reducir la

población bacteriana en un 90%.

Este MIC es mucho menor que en

otros biocidas sintéticos. La

experiencia ha mostrado que en

las fábricas de azúcar, valores

típicos de 0.5-3ppm de beta ácidos

son suficientes para minimizar

infecciones en el tandem de

molinos.

Figure 1 – MIC de biocidas contra Leuconostoc mesenteroides subsp. dextranicum

Se ha mostrado mediante prue-

bas, que a diferencia de algunos

biocidas que requieren mucho

tiempo para ser efectivos, los

beta ácidos de lúpulo actúan en

forma inmediata, deteniendo el

crecimiento de bacterias y por lo

tanto, deteniendo también el

consumo de azúcar y la

producción de metabolitos

dañinos para la fábrica.

Figure 2 – MIC de biocidas contra Leuconostoc mesenteroides subsp. mesenteroides

0

50

100

150

200

250

Bet

a ac

ids

Form

alin

Qua

t

Sul

fur

diox

ide

MIC

/ pp

m a

ctiv

e in

gred

ient

0

50

100

150

200

250

Bet

a ac

ids

Car

bam

ate

Form

alin

Qua

t

Sul

fur

diox

ide

MIC

/ pp

m a

ctiv

e in

gred

ient

4

Bacillus species

Bacillus stearothermophilus esta relacionado con el rompimiento de la cadena del azúcar en ácido

láctico y ácido acético, lo cual a su vez resulta en una caída de la pureza de los jugos. Esta bacteria

termofílica se presenta con

bastante incidencia en los

difusores de caña, los cuales

se operan a altas temperaturas.

La figure 3 muestra que los

beta ácidos, carbamatos y

cuaternarios tienen actividades

similares contra el Bacillus

stearothermophilus. El lúpulo

no presenta problemas a altas

temperatures, por lo que son

efectivos en los difusores.

Figure 3 – MIC de biocidas contra Bacillus stearothermophilus

Producción de Etanol

Antibióticos como la Penicilina y la Monesina, pueden ser utilizados para control de infecciones

durante la fermentación de alcohol (Stroppa), sin embargo, el uso de antibióticos en la cadena

alimenticia esta siendo prohibido en muchos paises. El lúpulo ha sido utilizado en la producción de

cerveza por muchos siglos, por lo que es sabido que no tienen efectos negativos en el crecimiento de

levaduras. Trabajos recientes muestran que los compuestos derivados del lúpulo en concentraciones de

ppm (v.g. alpha y beta acidos) son muy buenos para mejorar el rendimiento de alcohol en la producción

de alcohol (Rueckle).

Nuevos productos naturales

Nuevos productos naturales se estan investigando para permitir el desarrollo de una familia de

productos naturales. Estos compuestos en forma conjunta con los ácidos del lúpulo, pueden utilizarse

para una estrategia de multi-agentes, especialmente útiles contra bacterias resistentes.

0

200

400

600

800

1000

1200

Bet

a ac

ids

Car

bam

ate

Form

alin

Qua

t

Sul

fur

diox

ide

MIC

/ pp

m a

ctiv

e in

gred

ient

5

Conclusion Existe un empuje continuo para eliminar el uso de químicos sintéticos del procesamiento de alimentos.

Siempre y cuando sean seguros y efectivos en el costo, los productos naturales son una excelente

alternativa a los químicos sintéticos. Los datos muestran que los beta ácidos del lúpulo son muy

activos contra los problemas bacterianos clave en las fábricas de caña de azúcar y por lo tanto son

alternativas viables a los biocidas químicos usuales.

References Madsen, L.R.; Day, D.F. 2005. Mixed dithiocarbamates for the preservation of sugar cane juice. Int.

Sugar J. 107 (1282): 576-580.

Pollach, G.; Hein, W. 2002. Application of hop beta acids and rosin acids in the sugar industry.

Zuckerindustrie 127 (12): 921-930

Pollach, G.; Hein, W.; Hollaus, F. 1996. Use of hop products as bacteriostatic agents in the sugar

industry. Zuckerindustrie 121: 919-926

Ravno, A.B.; Purchase, B.S. 2006. Dealing with dextran in the South African sugar industry. Int. Sugar

J. 108 (1289); 255-269.

Richards, W. 1999. Biocides at Union Co-operative Limited. Proc.S. Afr. Sug. Technol. Ass. 73: 231-

234.

Rueckle, L.; Senn, T. 2006. Hop acids can efficiently replace antibiotics in ethanol production. Int.

Sugar J. 108 (1287): 139-147.

Stroppa, C.T.; Andrietta, M.G.; Andrietta, S.R.; Steckleberg, C.; Serra, G.E. 2000. Use of penicillin and

monensin to control bacterial contamination of Brazilian alcohol fermentations. Int. Sugar J. 102

(1214), 78-82.

Trost, L.W.; Steele, F.M. 2002. Control of microbiological losses prior to cane delivery, and during

sugar processing. Int. Sugar J. 104 (1239): 118-123

Van der Poel, P.W.; Schiweck, H.; Schwartz, T. 1998. Sugar Technology – beet and cane sugar

manufacture. Berlin, Bartens. 1001-1004

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