Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эффективность процессов осахаривания соломы и оценка качества гидролизатов для культивирования сахаромицетов

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Эффективность процессов осахаривания соломы и оценка качества гидролизатов для культивирования сахаромицетов"

На правах рукописи

НУРТДИНОВ РУСЛАН МИНСАГИРОВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ОСАХАРИВАНИЯ СОЛОМЫ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГИДРОЛИЗАТОВ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ САХАРОМИЦЕТОВ

03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2012

005020172

Работа выполнена на кафедре химической кибернетики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО КНИТУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук,

Мухачев Сергей Германович

Официальные оппоненты: Сироткин Александр Семенович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной биотехнологии ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Шарифуллин Вилен Насибович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерной кибернетики ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Российский химико-

технологический университет имени Д.И. Менделеева», г. Москва

Защита состоится 18 апреля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета, А-330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан «/<£ ^^¿¿¿х/сгпа. 2012 г.

Ученый секретарь Степанова

диссертационного совета Светлана Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрождение крупнотоннажной промышленной биотехнологии в Российской Федерации непосредственно связано с освоением сырьевой базы на основе возобновляемого растительного сырья. Целлюлозосодержащее сырье в стране имеется практически в неограниченных количествах в виде древесины, соломы, твердых бытовых отходов и т.д. Однако его эффективное превращение в биологически усвояемые сахара - сложная задача, над которой работают научные коллективы во всем мире. При этом исследуются возможности использования непосредственно микроорганизмов, комплексов целлюлолитических ферментов, химических гидролизующих агентов для эффективного превращения непищевого сырья в усвояемые сахара.

В настоящее время отсутствует исследовательское технологическое оборудование, позволяющее на лабораторной стадии оценить технико-экономические характеристики, энергетические показатели соответствующих технологий, что затрудняет решение вопросов определения перспективы внедрения в производство получаемых научных результатов. Поэтому разработка научного оборудования для осуществления процессов деполимеризации целлюлозосодержащего сырья с возможностью исследования их кинетики и энергоемкости является чрезвычайно актуальной задачей.

Одним из наиболее дешевых и имеющихся в наличии видов целлюлозосодержащего сырья для крупнотоннажного производства энергоносителей, в частности топливного спирта, является солома. Масса производимой ежегодно соломы злаковых и крупяных культур в России составляет 80 - 100 млн. т. В республике Татарстан объем производства соломы достигает 6,6 млн. т. в год, в том числе ржаной соломы - 880 тыс.т в год. Это огромная потенциальная сырьевая база.

Наконец, существующая инфраструктура сельского хозяйства позволяет решить задачу доставки соломы на переработку при условии расположения перерабатывающего предприятия вблизи элеватора.

Учитывая низкую степень эффективного использования соломы зерновых культур в настоящее время, в работе основное внимание уделено проблеме осахаривания данного вида вторичного сырья.

Наконец, учитывая рост требований к ресурсо- и энергосбережению создаваемых технологий, актуальность работы состоит в технологическом решении по рекуперации гидролизующего агента, а также в энергетическом критерии мониторинга новых ферментных препаратов.

Экспериментальная часть работы выполнялась в рамках гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере "Разработка технологического регламента на выращивание чистой культуры дрожжей» (государственный контракт №8187р/7406 от 01.08.2010).

Целью настоящей работы является сравнительное исследование кинетики химического и ферментативного гидролиза целлюлозного сырья на основе удельных энергетических затрат и оценка качества гидролизатов в процессах культивирования сахаромицетов.

В качестве основного объекта исследования выбраны процессы гидролиза и ферментолиза соломы зерновых культур, как одного из перспективных видов возобновляемого сырья.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:

- разработаны экспериментальные установки, исследована кинетика процессов гидролиза и ферментолиза целлюлозосодержащего и крахмалистого сырья на примере соломы и отрубей зерновых культур;

- экспериментально оценены удельные затраты энергии в процессах гидролиза и ферментолиза соломы зерновых культур, в том числе на нагрев и механическое перемешивание гидролизуемой массы.

Научная новизна:

- экспериментально оценены параметры процессов гидролиза соломы и отрубей зерновых культур разбавленной сернистой кислотой при варьировании режимных параметров;

- оценены параметры процесса гидролиза соломы, предложенного в качестве базового для сравнения энергетической эффективности ферментативного гидролиза целлюлозосодержащих видов вторичного сырья и позволяющего осуществлять мониторинг ферментных препаратов, выводимых на рынок биотехнологической продукции;

- впервые экспериментально показана возможность рекуперации сернистого газа в процессах гидролиза соломы за счет тепла, запасенного в гидролизате;

- предложен энергетический критерий сравнительной оценки альтернативных процессов деполимеризации целлюлозосодержащего сырья, апробированный на примере использовании сернистой кислоты и ферментов фирмы Genencor International;

- предложен и научно обоснован комбинированный состав гидролизатов для приготовления сред, используемых при наращивании биомассы сахаромицетов.

Практическая значимость работы.

Создан комплекс лабораторного оборудования для исследования процессов химического и ферментативного гидролиза возобновляемого целлюлозосодержащего и полисахаридного сырья. Оборудование позволяет осуществлять процессы деполимеризации в широком диапазоне температур: от 30 °С до 190 °С с возможностью определения их кинетических и энергетических характеристик. Предусмотрена регистрация затрат тепловой и механической энергии при осуществлении указанных процессов. Осуществлено сравнительное исследование процессов гидролиза и ферментолиза соломы зерновых культур,

продемонстрировавшее работоспособность созданного оборудования и его соответствие поставленным задачам. Комплекс оборудования внедрен в учебный процесс и используется в исследованиях, проводимых в лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии» ФГБОУ ВПО КНИТУ (г. Казань). Предложенный энергетический критерий сравнительной оценки процессов гидролиза может быть использован на стадии ТЭО проектируемых производств, в которых осуществляются гидролитические процессы деполимеризации целлюлозосодержащего сырья. Разработанная аппаратура и методика исследования позволяют осуществлять мониторинг новых ферментных препаратов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии, производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Йошкар-Ола, 2009г.), научно-практической конференции «Инновационные подходы к естественнонаучным исследованиям и образованию»: (Казань, 2009г), X - XI Международных конференциях молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2009-20 Юг.г.), XIII Международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Полимеры: Синтез исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» - V Кирпичниковские чтения (Казань, 2009г), Республиканскаой школе студентов и аспирантов «Жить в XXI веке» (Казань 2009г.), Международной конференции «Катализ для переработки возобновляемого сырья: топливо, энергия, химические продукты» (Новосибирск, 2010г.), У-У1 Московских международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2010-2011г.г.), на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (2009-2012 гг.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 8 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, и 11 докладов на всероссийских и международных конференциях и других публикаций.

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты экспериментальных работ, в которых автор принимал непосредственное участие. Личный вклад автора заключается в комплексировании технических средств исследовательского комплекса, позволяющего реализовать предложенный автором подход к анализу эффективности гидролизующих агентов на основе величины удельных энергозатрат, в проведении экспериментальных исследований процессов гидролиза и ферментолиза отходов зернового хозяйства и процессов культивирования сахаромицетов на средах с гидролизатами соломы, в обсуждении и представлении результатов работы на конференциях, а также в подготовке их к публикации. Соавторы не возражают против использования результатов исследований в материалах диссертации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Материал изложен на 129 страницах текста и содержит 22 таблицы и 39 рисунков. Список литературы включает 148 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены общие сведения о решаемых в работе научно-технических задачах, обоснована необходимость и показана актуальность разработки энергетически эффективных процессов деполимеризации целлюлозного и полисахаридного сырья.

В первой главе представлен обзор научных публикаций, посвященных проблеме деполимеризации лигноцеллюлозного и полисахаридного сырья, обоснована актуальность исследований в этой сфере.

Показано, что одними из наиболее актуальных и требующих решения проблем биотехнологии являются:

- повышение экономической эффективности процессов деполимеризации целлюлозного и полисахаридного сырья;

- достижение достаточно высокой концентрации Сахаров в гидролизатах, предназначенных для последующей микробиологической переработки;

- поиск энергосберегающих технологий в исследуемой сфере.

Экспериментальные исследования в данной сфере в Российской Федерации

сейчас ведутся в незначительном числе университетов и исследовательских центров, например, в Казанском национальном исследовательском технологическом, Новосибирском государственном университетах. Развитие исследований сдерживается отсутствием серийно выпускаемого специализированного лабораторного технологического оборудования.

Во второй главе представлено описание разработанного комплекса лабораторных установок, обеспечивающих проведение процессов низкотемпературного, высокотемпературного и ферментативного гидролиза растительного сырья. Комплекс включает: 1) лабораторную установку получения химически чистой сернистой кислоты на основе процесса горения серы в кислороде, представляющую собой кварцевую трубку для сжигания серы, абсорбер с нерегулярной насадкой, рециркуляционный насос, подающий разбавленную кислоту на орошение насадки абсорбера для хемосорбции сернистого газа; 2) установку низкотемпературного гидролиза (до 120 °С) на основе аппарата с рамной мешалкой особой конструкции и фильтрационным пробоотборником, снабженным выносным теплообменником для охлаждения отбираемой пробы, 3) установку для исследования кинетики высокотемпературного гидролиза (до 190 °С) с возможностью отбора до 5 проб за процесс, 4) установку ферментолиза на базе легко разборного ферментера объемом 6 л, снабженного механической мешалкой с нижним приводом и

обеспечением автоматического поддержания температурного режима и рН гидролизуемой массы. Разработанная малогабаритная лабораторная универсальная установка для исследования кинетики и стехиометрии реакций низкотемпературного гидролиза дисперсных твердофазных субстратов растительного происхождения (рис.1, рис.2) позволяет варьировать температуру от 50 °С до 120 °С и оценивать возможности использования дешевых отходов в процессах микробиологического синтеза. Загрузка измельченного сырья, воды и раствора гидролизующего агента осуществляется через горловину 2, приваренную к верхней части корпуса 1.

После одновременной загрузки всех компонентов, образовавшаяся суспензия гидролизуемого материала быстро нагревается до заданной температуры с помощью «внешнего» нагревателя 5, представляющего собой спираль в керамической изоляции, намотанную вокруг корпуса аппарата. При достижении заданной температуры, «внешний» нагреватель отключается и включается автоматический терморегулятор, подающий напряжение на встроенный нагреватель патронного типа 6. В ходе процесса гидролиза отбор проб осуществляется через сетчатый фильтр 7, установленный на уровне середины столба жидкой фазы, и холодильник типа «труба в трубе» 8.

Загрузка компонентов

Отбор проб Охлаждающая вода

1 - Корпус гидролизера объемом 6 л

2 - Горловина загрузки компонентов

3 - Предохранительный клапан

4 - Рамная мешалка

5 - Нагреватель электрический 2,0 квг

6 - Нагреватель электрический патронного типа 0,5 квт

7 - Фильтр сетчатый

8 - Холодильник типа «груба в трубе»

9 - Привод перемешивающего устройства, 300 вт

10 - Пробоотборная емкость, 50 мл.

В1 - Вентиль продувки фильтра В2 - Вентиль отбора проб ВЗ - Вентиль подачи охлаждающей воды Р - Манометр показывающий

МПТС-100, 4 атм, кл.1,5 Т - Терморегулятор ОВЕН ТРМ1 с датчиком температуры ТСП 100 п - Регулятор оборотов мешалки

дисплеем индикации потребляемой мощности.

Рис.1. Принципиальная схема установки низкотемпературного гидролиза

При загрязнении фильтра 7 его очистка осуществляется за счет кратковременной подачи сжатого воздуха в пробоотборное устройство. Для предотвращения опасного превышения давления, например, при выходе терморегулятора из строя, на корпусе гидролизера установлен предохранительный клапан 3, настроенный на предельное давление 0,43 МПа. Изучение процессов гидролиза и их оптимизация предполагают получение информации об энергозатратах. С этой целью обеспечена возможность измерения энергии, потребляемой нагревательными устройствами и приводом мешалки гидролизера (переключатель соответствующих каналов измерения показан на рис.2).

Резистор регулятора скорости вращения мешалки

Манометр МПТС-100, кл.1,5

Гидролизер

Электронагреватель

Вентиль продувки пробоотборника (очистка фильтра)

Охлаждаемый пробоотборник

Переключатель каналов

(скорость вращения, напряжение, ток в якоре двигателя, температура)

Табло цифровой индикации

Терморегулятор ОВЕН ТРМ1

Тумблер включения регулятора

Термодатчик

Клапан предохранительный

Сливной патрубок

Блок привода мешалки

Рис.2. Общий вид лабораторного гидролизера

Созданная лабораторная установка для исследования кинетики высокотемпературного гидролиза растительного сырья (рис.3) позволяет проводить процессы химического гидролиза в рабочем диапазоне температур от 100 °С до 190 °С при избыточном давлении до 1,6 МПа. Данная установка состоит из: 1) масляного термостата объемом Зле датчиком температуры ДТС 035-50М.ВЗ-250, нагревателем мощностью 600 Вт и терморегулятором ТРМ1 фирмы ОВЕН, 2) шести капсул для гидролиза объемами по 30 мл. К одной из капсул подсоединен манометр типа МП4-УУ2 (кл.1,5) с диапазоном измерения избыточного давления до 1,6 МПа. Для заливки масляного термостата используется силиконовое масло ПМС-300.

Съем каждой из капсул производили через интервалы времени, равные 1/5 от заданной длительности эксперимента (1,5 часа). Извлекаемые из термостата капсулы немедленно погружали в воду, охлажденную до 10 - 15 °С. Охлажденные пробы помещали в центрифужные пробирки для отделения не гидролизованного осадка. Разделение гидролизованных проб осуществляли на лабораторной автоматической центрифуге с охлаждением Яойпа 38011 при скорости вращения ротора 2113 об/мин в течение 15 минут. Отделенный от каждой пробы фугат в количестве 13 - 15 мл помещали во флаконы и хранили до анализа в холодильнике при 4 °С не более 1 суток.

3. 2Х

G>

й

э

/

□ □□□

v V

-2207

1- емкость термостата; 2- штатив; 3- силиконовое масло; 4, 5- капсулы для гидролизуемого материала; б - термодатчик - термопреобразователь сопротивления платиновый ТСП-002; 7- манометр МП4-УУ2; 8- терморегулятор ТРМ1 фирмы ОВЕН.

Рис.3. Схема и общий вид установки для исследования кинетики процессов гидролиза при температуре 150 °С - 190 °С

Для изучения сложных биотехнологических процессов была использована исследовательская установка с компьютерной системой управления, включающая универсальный легко разборный биореактор, ультратермостат и блок перистальтических микродозаторов (рис.4).

Такая установка в составе комплекса позволяет осуществлять исследование процессов ферментативного гидролиза целлюлозосодержащего сырья при гидромодуле 1:10 и более и регулируемой температуре в диапазоне 30 °С - 75 °С.

Привод перемешивающего устройства ферментолизера идентичен приводу мешалки гидролизера и обеспечивает замер мощности на якоре электродвигателя.

рН-метр

Ультратермостат

Блок дозирования жидких сред

Ферментер

Рис.4. Общий вид установки для исследования процессов ферментативного гидролиза

Общая схема установки для ферментолиза несущественно отличается от стандартной ферментационной установки, оснащенной реактором с механической мешалкой. Кислотность контролируется рН-метром МУЛЬТИТЕСТ ИПЛ-513, титрование осуществляется по варианту одностороннего регулирования с подачей титранта с помощью перистальтического насоса-дозатора.

В ходе экспериментов использовали солому, а в качестве гидролизующих агентов минеральные кислоты и жидкие ферментные препараты фирмы Genencor International.

Разработаны рабочие инструкции по эксплуатации комплекса. Комплекс введен в эксплуатацию и используется в научных исследованиях и учебном практикуме, реализуемых лабораторией «Инженерные проблемы биотехнологии» КНИТУ. Техническая документация на экспериментальный образец комплекса передана в малое предприятие ООО «Биотехконсалтинг» для организации его серийного производства. На основании этой документации осуществлен выпуск малой опытной партии лабораторного оборудования (3 гидролизера и 4 ферментолизера).

В третье главе дано описание использованных методов исследования.

При подготовке гидролизующего агента - сернистой кислоты концентрацию получаемого раствора определяли с помощью стандарт-титров.

При выполнении процессов гидролиза и ферментолиза соломы в отбираемых пробах анализировали содержание сухих веществ (СВ) с помощью влагомера марки МХ-50 и редуцирующих веществ (РВ) по методу Бертрана. Дополнительно в некоторых пробах гидролизатов определяли аминный азот по методу Кьельдаля с использованием анализатора J.P.Selecta S.O. В процессах низкотемпературного гидролиза и ферментолиза определяли энергетические затраты раздельно: на механическое перемешивание и на нагрев гидролизуемой массы. При анализе данных высокотемпературного гидролиза энергозатраты пересчитывали пропорционально длительности нагрева и продолжительности перемешивания, приводя их к условиям энергообеспечения низкотемпературного гидролиза. С целью точного определения затрат энергии на перемешивание был использован электродвигатель постоянного тока с измерением электрической мощности на якоре (обмотка статора при этом питалась от независимого стабилизированного источника, температура двигателя поддерживалась постоянной на уровне 40 °С ±1 °С за счет контура специального водяного охлаждения и вентиляции). В процессах высокотемпературного гидролиза осуществляли замер времени гидролиза вещества в каждой капсуле с точностью ± 2 с. Извлекаемые капсулы из ванны масляного термостата немедленно погружались в воду, охлажденную до 10 - 15 °С. При выполнении процессов ферментативного гидролиза отбор проб осуществлялся по времени с точностью ± 10 с. Кислотность среды поддерживалась автоматически с точностью ± 0,1 ед.рН. Подача титранта осуществлялась перистальтическим насосом (максимальный расход при диаметре рабочей трубки 3 мм составляет 1,9 л/час; объем минимальной дозы 0,55 мл). В качестве сравнения использовался процесс ферментолиза измельченной обеззоленной бумаги (целлюлозы).

Все пробы сырья для гидролиза и ферментолиза измельчались и фракционировались на сетках до размера частиц 0,5 - 1; 1 - 3 и > 3 мм. Пробы для ферментолиза подвергались предварительной обработке паром в автоклаве при температуре 120 °С в течение 6 часов.

В четвертой главе приведены результаты анализа периодических процессов гидролиза и ферментолиза пшеничной соломы, позволившие подтвердить соответствие созданного комплекса решаемым задачам.

Результаты сравнительного исследования гидролиза соломы серной и сернистой кислотами при концентрации их 2% масс, (рис.5, рис.6) показали, что сернистая кислота более предпочтительна, поскольку при ее применении образуется меньше летучих метаболитов, чем при использовании других минеральных кислот

(рост давления в замкнутой емкости гидролизера не значителен - колебания давления и температуры взаимно почти пропорциональны).

В обоих процессах использовано по 200 г просушенной до постоянного веса измельченной соломы, гидромодуль 1:18,6. Конечная концентрация РВ на третий час процесса составила 1,7-1,75 % масс, при использовании серной кислоты и 1,85 - 1,9 % масс, при использовании сернистой кислоты. Точность поддержания температуры после выхода на режим составила ± 1 °С. При загрузке 400 г соломы (гидромодуль 1:8,8) была достигнута концентрация РВ 2,35 - 2,45 % масс, при применении серной кислоты. При этом прямой пропорциональности между величиной загрузки и максимальной концентрацией РВ не наблюдалось.

Время, мин

-

л л

— ч \>

О 50 100 150 200

Время, мин

Рис.5. Изменения давления и температуры в процессе гидролиза соломы

серной кислотой

Время, мин

1

р

£ -оф-

О 50 100 150 200 250 Время, мин

Рис.6. Изменения давления и температуры в процессе гидролиза соломы сернистой кислотой

При высокотемпературном гидролизе и варьировании концентрации сернистой кислоты исследовалась динамика содержания РВ в гидролизате (рис.7, рис.8).

Процессы проводились при гидромодуле 1:5,8. Стандартное отклонение определения РВ составило ± 0,3 % масс.

А / •"•о

7 т к" {Г~

*

' /

d

0.2 0.4 0.6 0,3

Время, час —0—0,59% -о-1,18%

Концентрация РВ,% масс.

-ЕР

Г

/

/

{

8

0,2 0.4 0.S 0.8 1 \2 1,4 1 Время, час —0— 0,59% -0-1,18% -й-1,77%

Рис.7. Изменения концентрации РВ в процессах гидролиза соломы при 150 °С и варьировании концентрации сернистой кислоты

Рис.8. Изменения концентрации РВ в процессах гидролиза соломы при 170 °С и варьировании концентрации сернистой кислоты

Из графиков рис.7 и рис.8 следует, что влияние концентрации сернистой кислоты при температурах ниже 150 °С заметно проявляется, но при повышении температуры до 160 °С оно исчезает. Это может быть объяснено практически полным переходом в паровую фазу сернистого газа (разложение сернистой кислоты) при нагревании. При этом гидролиз, по-видимому, идет только за счет контакта жидкой и паровой фаз и определяется величиной межфазной поверхности, остающейся постоянной в течение процесса.

Оптимальная температура и продолжительность гидролиза соломы сернистой кислотой составили соответственно 160 °С - 170 °С и 30 - 35 минут. Увеличение температуры или продолжительности процесса не приводит к росту концентрации редуцирующих веществ за счет побочных реакций распада и карамелизации Сахаров.

Влияния степени измельчения сырья на процесс гидролиза (от 3 мм до 1 мм) не наблюдалось. Повышение температуры до 170 °С позволяет снизить концентрацию сернистой кислоты до 1,18 % масс. При этом концентрация РВ достигает 4,05 - 4,2 % масс., а степень конверсии полисахаридов исходного сырья (соломы) составляет - 42 %.

Аналогичный комплекс работ, выполненный с использованием пшеничных отрубей, показал, что оптимальная температура гидролиза также близка к 160 °С. При этом достигается концентрация РВ 6,3 % масс, (рис.9).

В экспериментах (рис.9) гидромодуль составлял 1:5,8; концентрация сернистой кислоты - 1,18 % масс. Кроме редуцирующих веществ в гидролизате отрубей зафиксировано заметное содержание аминного азота. Концентрация аминного азота в пересчете на аммиак приведена в таблице 1.

Рис.9. Изменение концентрации редуцирующих веществ в гидролизате отрубей при варьировании температуры гидролиза

Таблица 1.- Погрешность определения аминного азота в гидролизате отрубей

№ замера 1 2 3 Среднее знач.

Концентрация, г/л 0,292 0,298 0,296 0,296

Поскольку в соломе содержание протеинов в 4 раза меньше, чем в отрубях, предлагается использовать состав сред для генерации биомассы сахаромицетов, основанный на смеси гидролизатов соломы и отрубей в соотношении 1:0,5 - 1:1. При этом возможно наращивание биомассы сахаромицетов до 19-22 гАСД/л при уменьшенной в 2 - 3 раза стоимости углеродсодержащих источников сырья (солома и отруби вместо низкокачественного зерна). Это достаточно высокие показатели для линии чистой культуры и даже дрожжегенератора.

Применение сернистой кислоты предпочтительно по сравнению с использованием серной кислоты и по той причине, что сернистый газ после завершения гидролиза может быть отогнан с парами воды, за счет чего возможна частичная рекуперация титрующего агента. Степень рекуперации сернистой кислоты за счет отгона при сбросе избыточного давления с 0,4 до 0 МПа и снижения температуры гидролизата при испарении сернистой кислоты со 121 °С до 99 °С составила 72,9 % (таблица 2). Погрешность (стандартное отклонение) определения массы сернистой кислоты методом титрования составила ± 11,55 г (± 4,86 % от исходного количества).

Таблица 2,- Рекуперация сернистого газа

Общее количество сернистой кислоты Высококонцентрированный отгон Низкоконцентрированный отгон (при дополнительном нагреве) Всего

95,12 г 69,4 г 14,6 г 84,0 г

100 % 72,9 % 15,3 % 88,2 %

Исследование эффективности ферментолиза соломы показало низкий выход редуцирующих веществ (рис. 10).

||

Серная к-та Сернистая к-та Соляная к-та РЭ А031Э7-1.0ЕМ РБ А03143-1.1Ш

АсеНегаБе СВ100 Ор(!Аож КС 2.0

Рис.10. Эффективность низкотемпературного гидролиза и ферментолиза соломы (выход Сахаров с единицы массы полисахаридов)

Процессы ферментолиза и низкотемпературного гидролиза существенно уступают по параметрам процессам высокотемпературного гидролиза соломы (рис.11), в частности по величине удельной скорости нарастания РВ (%РВ/час).

Ферментные Сернистая Сернистая

препараты кислота, 120 °С кислота, 160 °С

Рис. 11. Сравнение процессов гидролиза и ферментолиза по величинам удельных скоростей

На основании выполненных исследований процесс гидролиза целлюлозосодержащего сырья сернистой кислотой при оптимальных параметрах 1 (165 °С, 1,2% масс, сернистой кислоты, гидромодуль 1:6) нами предложен в качестве образцового для сравнительных оценок различных гидролизующих агентов.

Исследование качества гидролизатов соломы осуществлено путем сравнения показателей роста сахаромицетов на средах Ридера с глюкозой и редуцирующими веществами сернистокислотного гидролизата (табл.3).

Таблица 3.- Показатели роста сахаромицетов (раса 1986) на среде Ридера с глюкозой и гидролизатом соломы в качалочных колбах

Субстрат Прирост биомассы, г/л Средняя удельная скорость роста, час"1 Удельная скорость роста на экспоненциальном участке, час"1 Выход, гАСД г Сахаров

Глюкоза 16,35 0,087 0,137 0,61

Гидролизат соломы 7,05 0,08 0,108 0,31

Результаты экспериментов (таблица 3) свидетельствуют о достаточно высоком качестве гидролизатов. Снижение выхода биомассы и скорости роста на экспоненциальном участке определяется преимущественным наличием в гидролизате соломы пентоз. Возможность аэробного роста сахаромицетов в дрожжерастильных аппаратах с использованием содержащих пентозы гидролизатов соломы позволит в перспективе при создании производства топливных спиртов экономить более дорогие среды на основе гексоз, используя последние только на стадии брожения.

На основе результатов экспериментальных исследований был обоснован энергетический критерий эффективности гидролитических процессов:

Е =(Еи + Енп + Ен + Еп + Ем)/(РВУг) где: Ей - затраты энергии на измельчение сырья, Енп - затраты энергии на тепловую предобработку сырья (при проведении процессов гидролиза отсутствуют), Ен -затраты энергии на нагрев гидролизуемой массы, Еп - затраты энергии на поддержание температуры во время гидролиза или ферментолиза, Ем - затраты на механическое перемешивание гидролизуемой массы, РВ - концентрация редуцирующих веществ, Уг - объем гидролизуемой массы.

Данный критерий является экстремальной функцией времени и температуры и может быть использован при выборе оптимальной продолжительности процессов гидролиза и ферментолиза, а также самих гидролизующих агентов (рис.11,12).

Таким образом, ферментные препараты могут конкурировать с неорганическими гидролизующими агентами (сернистая кислота) при более глубокой предобработке сырья и достижении сравнимых концентраций редуцирующих веществ за приемлемое время процесса. При одинаковой предобработке сырья и достигаемой концентрации РВ длительности процессов ферментолиза превышают продолжительность гидролиза в условиях выполненных экспериментов более, чем в 15 раз.

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Температура гидролиза

□ Удельные затраты энергии, квт.ч/кгРВ- д Выход РВ, % полисахаридов-

Рис. 11. Удельные затраты энергии и конверсия полисахаридов соломы при гидролизе сернистой кислотой в зависимости от температуры гидролиза

1С 1

14 СОЛОМА 1 1 ОТРУБИ

СО а. 12 - 1 I 1

¡j ю - 1 I

IH1 1

s" - 8 1

О. (I) X 6

JJ 0 (го а. го 4 - ■

<п а) х 2 - т

А ц «D £ п . ■ ■

i 2 3 4

1 - Низкотемпературный гидролиз; 2 - Высокотемпературный гидролиз; 3 - Ферментолиз; 4 - высокотемпературный гидролиз отрубей

Рис.12. Суммарные энергозатраты в процессах гидролиза и ферментолиза (без учета затрат на измельчение сырья)

Выполненные исследования позволяют рекомендовать в качестве оптимальной среды для микробиологических синтезов и дрожжегенерации сахаромицетов смесь гидролизатов соломы и отрубей в соотношении 1:1 (при концентрации РВ 5 % масс).

выводы

1. Показано преимущество использования сернистой кислоты для гидролиза соломы перед традиционно используемой в процессах гидролиза целлюлозосодержащего сырья серной кислотой, состоящее в следующем:

- незначительное образование побочных летучих компонентов, что обеспечивает более высокое качество гидролизатов;

- возможность частичной рекуперации сернистого газа (от 50 % до 88 % от используемого количества в зависимости от начальной концентрации сернистой кислоты) за счет тепла, запасенного в гидролизате при температуре гидролиза 150 °С и выше.

2. Предложен энергетический критерий сравнения эффективности гидролитических процессов, включающий удельные затраты энергии на нагрев гидролизуемой массы и механическое перемешивание. Критерий соответствует концепции Региональной программы «Энергоресурсоэффективность в Республике Татарстан на 2006 - 2010 годы», предусматривающей непосредственную оценку технологических решений по снижению энергоемкости продукции в единицах энергии. Продемонстрировано применение критерия при мониторинге целлюлолитических ферментов.

3. Обосновано использование процесса гидролиза растительного сырья сернистой кислотой при температуре 160 "С - 170 °С, концентрации сернистой кислоты 1,2 % масс, и гидромодуле 1:6 в качестве сравнительного при оценке эффективности ферментных препаратов на основе целлюлаз.

4. Показано, что зависимости удельных затрат энергии и конверсии полисахаридов соломы от температуры в процессе гидролиза сернистой кислотой имеют экстремумы, что позволило определить оптимальные условия гидролиза на основе требований энерго- и ресурсосбережения.

5. Предложен полноценный по углероду и азоту смешанный состав гидролизатов соломы и отрубей для культивирования сахаромицетов.

6. Разработан исследовательский лабораторный комплекс и обосновано его применение для оценки технологических параметров процессов гидролиза и ферментолиза целлюлозосодержащего возобновляемого сырья.

Основное содержание диссертационной работы изложено в публикациях:

а) в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Мухачев С.Г. Биотехнологический комплекс учебной лаборатории энерго- и ресурсосбережения / С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, Р.Т. Елчуев, Р.Т. Валеева, P.M. Нуртдинов, A.M. Буйлин // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2009.-№5. - С. 21 -26.

2. Нуртдинов P.M. Разработка биотехнологического комплекса переработки растительного сырья и отходов сельскохозяйственного производства / P.M. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, И.В. Шагивалеев, И.А. Якушев // Вестник Каз. технол. ун-та.-2011.- №2.- С.143 - 147.

3. Нуртдинов P.M. Предварительная обработка растительного сырья и отходов сельскохозяйственного производства с целью повышения выхода редуцирующих веществ / P.M. Нуртдинов, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, М.В. Харина // Вестник Каз. технол. ун-та. -2011,-№9,- С. 264-267.

4. Нуртдинов P.M. Высокотемпературный гидролиз растительного сырья / P.M. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов // Вестник Каз. технол. ун-та,-2011№10.- С.204 - 208.

5. Мухачев С.Г. Питательная среда для генерации биомассы сахаромицетов / С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, P.M. Нуртдинов // Производство спирта и ликероводочных изделий,- 2011.- №3.- С. 20 - 23.

6. Нуртдинов P.M. Кинетика ферментативного гидролиза растительного сырья / P.M. Нуртдинов, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, С.Г. Мухачев, М.В. Харина // Вестник Каз. технол. ун-та.-2011.-№14.-С.211 -214.

7. Нуртдинов P.M. Низкотемпературный гидролиз растительного сырья / P.M. Нуртдинов, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, Г.А. Гаделыпина // Вестник Каз. технол. ун-та.-2011,-№15,-С.150-154.

8. Понкратов A.C. Система управления поддержания pH в процессах ферментолиза растительного сырья / A.C. Понкратов, P.M. Нуртдинов // Вестник Каз. технол. ун-та. -2011.- №22. - С.62-67.

б) в прочих публикациях по теме диссертационного исследования:

9. Нуртдинов P.M. Лабораторная установка для исследования процессов гидролиза растительного сырья / Р. М. Нуртдинов, В. М. Емельянов, Г. А. Гаделыпина, Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев // Материалы международной науч. - прак. конф., выпуск 11 Марийский государственный университет. - Йошкар - Ола. - 2009,- С. 468 - 470.

10. Мухачев С.Г. Разработка биотехнологического комплекса для научно-учебной лаборатории энерго- и ресурсосбережения / С. Г. Мухачев, М. Ф. Шавалиев, Р. Т. Елчуев, Р. М. Нуртдинов, А. М. Буйлин, А. А. Степанова, Б. В. Кузнецов, Р. Т. Валеева // Инновационные подходы к естественнонаучным исследованиям и образованию: материалы науч. - практ. конф. - Казань: ТГГПУ.-2009. - С. 248-253.

11. Нуртдинов P.M. Сырьевая база для производства биоэтанола в Республике Татарстан / P.M. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, Г.А. Гаделыпина, Р.Т. Валеева // X Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 12-15 мая 2009 г.) Сборник тезисов докладов. - Казань. Изд-во «Отечество». - 2009. - С. 321.

12. Осипова В.Н. Особенности гидролиза природных полисахаридов сернистой кислотой / В.Н.Осипова, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, P.M. Нуртдинов, P.P. Гараева // Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений - V Кирпичниковские чтения. Тезисы докладов. XIII Международная конференция молодых ученых, студентов и аспирантов.- Казань. - 2009. - С.348

13. Шавалиев М.Ф. Аппаратурное оснащение исследовательских работ в области совершенствования процессов комплексной переработки сельскохозяйственного сырья и отходов / М.Ф. Шавалиев, Д.С. Виноградов, P.M. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, Р.Т. Валеева // Материалы VI Московского международного конгресса, «Биотехнология: состояние и перспективы развития», часть 1 (Москва, 21-25 марта 2011г.).-М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева.- 2010.- С.252-253.

14. Нуртдинов P.M. Эффективность комплексной переработки растительного сырья / P.M. Нуртдинов, М.Ф. Шавалиев, В.М. Емельянов, С.Г. Мухачев, И.А. Якушев // Материалы VI Московского международного конгресса, «Биотехнология: состояние и перспективы развития», часть 1 (Москва, 21-25 марта2011г.). - М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева.- 2010. - С.250-251.

15. Emelyanov V.M. Investigation of the Kinetics of straw Enzimolysis / E.M. Emelyanov, R.M. Nurtdinov, S.G. Mukhachev, A.R. Ablaev, R.T. Valeeva, G.A. Gadelshina// Catalysis for renewable sources: fuel, energy, chemicals. - Novosibirsk. -2010. -P.105.

16. Mukhachev S.G. Laboratory Equipment for the Study of Hydrolysis and Enzymolysis of Plant Raw Materials / S.G.Mukhachev, E.M. Emelyanov, M.F. Shavaliev, R.T. Valeeva, A.R. Ablaev, R.M. Nurtdinov, A.M. Builin// Catalysis for renewable sources: fuel, energy,chemicals. -Novosibirsk.-2010.-P.126.

17. Харина M.B. Повышение эффективности производства кормовых дрожжей / М.В. Харина, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, И.В. Логинова, P.M. Нуртдинов // Материалы VI Московского международного конгресса, «Биотехнология: состояние и перспективы развития», часть 1 (Москва, 21-25 марта2011г.) М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева,-2011.-С.332-333.

18. Мухачев С.Г. Биотехнологический комплекс для исследования процессов гидролиза растительного сырья / С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, Р.Т. Валеева, М.Ф. Шавалиев, М.В. Харина, Нуртдинов P.M. // Материалы VI Московского международного конгресса, «Биотехнология: состояние и перспективы развития», часть 1 (Москва, 21-25 марта2011г.). - М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2011.-С.357-358.

19. Понкратов А.С. Аппаратная система управления в области процессов ферментативного гидролиза А.С. Понкратов., P.M. Нуртдинов, В.М. Емельянов, C.A. Понкратова // Материалы VI Московского международного конгресса, «Биотехнология: состояние и перспективы развития», часть 1 (Москва, 21-25 марта2011г.). - М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2011,- С.365-366.

Заказ

Тираж

Издательство Казанского национального исследовательского технологического университета

Офсетная лаборатория Казанского национального исследовательского технологического университета. 420015, Казань, К. Маркса, 68

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Нуртдинов, Руслан Минсагирович, Казань

61 12-5/3553

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НУРТДИНОВ РУСЛАН МИНСАГИРОВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ОСАХАРИВАНИЯ СОЛОМЫ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГИДРОЛИЗАТОВ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ САХАРОМИЦЕТОВ

03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н. С.Г. Мухачев

Казань - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение 4

1. Целлюлозосодержащее сырье и проблемы его переработки........ 7

1.1 Ресурсы полисахаридного сырья в России и Татарстане, перспективные для биотехнологической переработки.......... 10

1.2 Технологические характеристики и аппаратурное оформление процессов гидролиза целлюлозосодержащего сырья 17

1.3 Технологические характеристики процессов ферментолиза целлюлозосодержащего сырья............................. 25

2. Комплекс аппаратуры для исследования процессов гидролиза и ферментолиза целлюлозосодержащего сырья...................... 34

2.1 Установка для исследования кинетики и энергетики низкотемпературного гидролиза целлюлозосодержащего сырья . 36

2.2 Установка для исследования кинетики высокотемпературного гидролиза целлюлозосодержащего сырья................ 40

2.3 Установка для исследования кинетики и энергетики ферментативного гидролиза целлюлозосодержащего сырья..... 42

2.4 Эксплуатация и тиражирование установок комплекса по исследованию процессов гидролиза целлюлозосодержащего

сырья.................................................. 42

3. Материалы и методы исследования процессов гидролиза и ферментолиза растительного сырья.............................. 51

3.1 Гидролизующие агенты и растворы..................... 51

3.2 Методы технохимического контроля.................... 57

3.2.1 Определение содержания редуцирующих веществ

по Бертрану...................................... 57

3.2.2 Титриметрический метод определения азота по Къельдалю....................................... 60

3.2.3 Методика определения содержания сухих веществ в растворах и осадках (определение концентрации биомассы весовым способом)....................... 65

3.2.4 Фотоколориметрическое определение

концентрации биомассы............................ 69

4. Кинетика и эффективность процессов гидролиза и ферментолиза растительного сырья........................................... 71

4.1 Предобработка сырья.................................. 71

4.2 Выбор гидролизуюгцих агентов.......................... 74

4.3 Кинетика низкотемпературного гидролиза растительного

сырья.................................................. 78

4.4 Кинетика высокотемпературного гидролиза растительного сырья.................................................. 80

4.4.1 Оценка воспроизводимости экспериментов....... 80

4.4.2 Кинетические закономерности процесса высокотемпературного гидролиза соломы сернистой кислотой . 83

4.4.3 Кинетические закономерности процесса высокотемпературного гидролиза отрубей сернистой кислотой . 88

4.5 Кинетика процесса ферментолиза соломы................ 91

4.6 Оценка энергетических затрат в процессах деполимеризации растительного сырья..................................... 97

4.6.1 Удельные затраты энергии в процессах деполимеризации растительного сырья............... 97

4.6.2 Методические основы мониторинга препаратов целлюлолитических ферментов на основе оценки энергозатрат...................................... 100

4.7 Оценка степени рекуперации сернистого газа при гидролизе полисахаридного сырья сернистой кислотой................. 102

4.8 Питательные среды для биотехнологйческих процессов на основе гидролизатов соломы и отрубей...................... 104

Заключение.................................................. 107

Список использованных источников.............................. ПО

Приложение А. Акты использования результатов работы............ 130

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных проблем современного этапа развития цивилизации является назревшая необходимость поиска альтернативных источников органических материалов и топлив. Актуальна эта проблема и для Российской Федерации в целом, и для Республики Татарстан, из недр которой за 60 лет извлечено 2,75 млрд.т. нефти и около 100 млрд. м газа. Оставшиеся суммарные ресурсы нефти оцениваются в 1,734 млрд.т., которые при современном уровне добычи будут потреблены за 30 лет [1]. Запасы и ресурсы угля (3,404 млрд.т. [1]) позволят получать необходимое химическое сырье и энергию еще в течение 60-70 лет. Таким образом, за предстоящие 100 лет должна быть полностью изменена ресурсно-сырьевая база народного хозяйства. Кроме того, это изменение должно быть реализовано с соблюдением экологических требований и ограничений, гарантирующих стабильное развитие регионов, здоровье населения и соответствующие параметры окружающей среды. Учитывая динамику мирового хозяйства, концепцию европейской стратегии энергетической безопасности и внутренние потребности Республики Татарстан, работам по развитию технологий производства топлив и биопродуктов из возобновляемых органических ресурсов необходимо придать стратегическое значение [2].

Возрождение крупнотоннажной промышленной биотехнологии в Российской Федерации непосредственно связано с освоением сырьевой базы на основе возобновляемого растительного сырья. Целлюлозосодержащее сырье в стране имеется практически в неограниченных количествах в виде древесины, соломы, отходов переработки сельхозпродукции. Однако его эффективное превращение в биологически усвояемые сахара - сложная задача, над которой уже не одно десятилетие работают научные коллективы во всем мире. При этом исследуются возможности использования непосредственно микроорганизмов, комплексов целлюлолитических ферментов, химических гидролизующих агентов для эффективного превращения непищевого сырья в усвояемые сахара.

Проблема использования ресурсов целлюлозосодержащего сырья осложняется тем, что существующие традиционные технологии гидролиза растительного сырья с применением сильных кислот и щелочей связаны с образованием значительного количества побочных продуктов, ингибирующих рост микроорганизмов и биосинтез ими ряда целевых веществ. При этом получаемые в гидролизной промышленности среды содержат не более 2 - 3 % Сахаров. Перерабатывать такие среды экономически невыгодно вследствие высоких энергетических и приведенных затрат. Альтернативные процессы на основе целлюлолитических ферментов вследствие низких скоростей не решают проблемы построения эффективных биотехнологических производств на основе целлюлозосодержащего сырья. Однако, быстрый рост номенклатуры разрабатываемых и выпускаемых ферментных препаратов и динамика снижения их стоимости позволяет рассчитывать на появление в ближайшие годы достаточно эффективных препаратов. Вследствие чего одной из задач является разработка определенной процедуры мониторинга ферментных препаратов на основе сравнения с хорошо воспроизводимым гидролитическим процессом, технологические показатели которого принимаются в качестве образца для сравнения.

Поэтому важнейшей задачей настоящего исследования являлся поиск и отработка оптимального процесса гидролиза целлюлозосодержащего сырья, в качестве которого нами была выбрана солома, как перспективный ресурс для условий Республики Татарстан.

Наконец, в Российской Федерации в настоящее время отсутствует серийно выпускаемое исследовательское технологическое оборудование, позволяющее на лабораторной стадии оценить кинетические и энергетические показатели соответствующих технологий, что затрудняет решение вопросов определения перспективы внедрения в производство получаемых научных результатов. Поэтому разработка научного оборудования для осуществления процессов деполимеризации

целлюлозосодержащего сырья с возможностью исследования их кинетики и энергоемкости продукции является также актуальной задачей.

Учитывая низкую степень использования соломы зерновых культур в настоящее время, в работе уделено основное внимание проблеме осахаривания данного вида вторичного сырья, а также вопросам приготовления достаточно концентрированных биологически доброкачественных сахаросодержащих сред, получаемых при обогащении гидролизуемой соломы дополнительными источниками полисахаридов (например, гидролизатами отрубей).

Исходя из сказанного, в работе были поставлены и решались следующие задачи:

- разработка критерия сравнительной оценки процессов гидролиза и ферментолиза полисахаридов;

- разработка аппаратурного оснащения исследований кинетики и энергетики рассматриваемых процессов;

- разработка сравнительного процесса кислотного гидролиза соломы для мониторинга ферментных препаратов, выводимых на рынок биотехнологической продукции;

- разработка процесса приготовления на основе отходов зернового хозяйства достаточно дешевой и концентрированной среды для наращивания биомасс сахаромицетов.

Работа выполнена в лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии» Казанского национального исследовательского технологического университета. Отдельные результаты работы использованы при выполнении гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере "Разработка технологического регламента на выращивание чистой культуры дрожжей» (государственный контракт №8187р/7406 от 01.08.2010).

1. ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕЕ СЫРЬЕ И ПРОБЛЕМЫ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ

Целлюлозосодержащее сырье относится к возобновляемому типу сырья и потому его эколого-экономические преимущества, становящиеся все более очевидными, привлекают внимание и технологов и инвесторов капитала.

Целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин содержатся в разных пропорциях в различных растениях и в их частях. Их содержание обуславливает формирование структурного каркаса растения [3]. Целлюлоза является гомополисахаридом, полностью состоящим из О-глюкозы, связанной вместе (3-1,4-глюкозидными связями. Линейная структура целлюлозы обеспечивает возможность образования внутри- и межмолекулярных водородных связей, которые приводят к агрегации цепей целлюлозы в микрофибриллы. Микрофибриллы группируются в фибриллы, которые затем образуют волокна целлюлозы. Такая структура делает целлюлозу нерастворимой в большинстве растворителей и частично ответственна за устойчивость целлюлозы к разрушению микроорганизмами, т.е. к ферментативному гидролизу [4, 5]. Микрофибриллы состоят из параллельно расположенных макромолекул целлюлозы, связанных между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. В результате проявления межмолекулярных сил молекулы целлюлозы образуют ориентированные системы с параллельными цепями и отдельными элементами упорядоченности. При высокой степени упорядоченности молекул целлюлоза имеет кристаллическую структуру, при низкой - аморфную. Доля аморфной целлюлозы не превышает 15%. Целлюлоза, локализуясь во внутренних слоях клеточной стенки, играет роль жесткой опоры. Природная целлюлоза имеет молекулярную массу более 50000 и степень полимеризации 600-15000. Аморфные участки целлюлозы сравнительно легко гидролизуются, например, кислотами; кристаллические области поддаются деструкции гораздо труднее [6, 7].

Кроме целлюлозы в растительной ткани присутствуют и другие полмеры: гемицеллюлоза и лигнин. В древесине и других материалах целлюлозной природы молекулы гемицеллюлозы окружают кластеры микрофибрилл; эти сложные элементы структуры в свою очередь окружены оболочкой из лигнина, упрочненной многочисленными поперечными связями.

Гемицеллюлоза является сложным гетерогенным полисахаридом, состоящим из нескольких мономерных остатков: Б-глюкозы, Э-галактозы, Б-маннозы, Б-ксилозы, Ь-арабинозы, Б-глюкуроновой кислоты и 4-О-метил-Б-глюкуроновой кислоты [4, 8]. Гемицеллюлоза имеет боковые цепи. Степень полимеризации гемицеллюлозы - ниже 200. Состав гемицеллюлоз изменяется в довольно широких пределах в зависимости от природы растения. В общем случае гемицеллюлозы представляют собой короткие разветвленные полимеры, построенные из остатков пентоз (ксилозы и арабинозы) и некоторых гексоз (глюкозы, галактозы и маннозы). Эти мономерные звенья, как правило, содержащие большое количество ацетильных групп, связаны 1,3-, 1,6- и 1,4-гликозидными связями. Травянистые растения, подобные рису, пшенице, овсу и просу, имеют гемицеллюлозу, главным образом состоящую из глюкуроноарабиноксилана [5, 9]. Гемицеллюлоза довольно легко поддается гидролизу с образованием растворимых соединений, например при обработке разбавленной (0,05—3%-ной) серной кислотой или даже горячей водой.

Значительно более устойчива к гидролизу лигниновая оболочка полисахаридных компонентов биомассы. Лигнин представляет собой полифенол переменного состава, в высшей степени устойчивый к действию химических и ферментативных агентов. Окружая волокна гемицеллюлозы, лигнин обеспечивает защиту каркаса растения против разрушения микроорганизмами. Лигнин и продукты его частичного расщепления сами по себе являются потенциально ценным сырьем [10].

На основе переработки целлюлозосодержащего растительного сырья и отходов могут быть получены самые разнообразные продукты (рис. 1.1) [11].

Растительное сырье

Лигнин

Гидролизат

Этанол, бутанол, ацетон

Кормовые дрожжи, витамины, антибиотики

Активированный уголь Фенол

Уксусная кислота Активированный лигнин

->• Щавелевая кислота

Глюкоза, ксилоза —

Ксилит, сорбит

Фурфурол Глицерин,

этиленгликоль

Органические кислоты

Рис. 1.1. Основные продукты, получаемые на основе гидролизатов лигноцеллюлозного сырья

В зависимости от природы целевых продуктов гидролизное производство строится по той или иной технологической схеме. При этом, если в качестве сырья используют древесные отходы, то из 1 т абсолютно сухой древесины может быть получено: 1) 220 кг кормовых дрожжей, или 2) 35 кг дрожжей и 175 л этанола, или 3) 110 кг дрожжей и 80 кг фурфурола [12].

Кроме того, получаемые при гидролизе растворы пентоз и гексоз могут использоваться и для получения более дорогих и дефицитных продуктов: витаминов, кормовых аминокислот, пробиотиков, молочнокислых бактерий для силосования кормов и др.

1.1 Ресурсы полисахаридного сырья в России и Татарстане, перспективные

для биотехнологической переработки За последние годы в Российской Федерации произошла переориентация в использовании сырьевых источников для биотехнологии с невозобновляемых источников (парафин, нефть, газ, синтетические спирты и органические кислоты) на возобновляемые. Возможно, одной из причин развала отечественной промышленной биотехнологии как раз и послужила ориентация на дешевое углеводородное сырье и продукты его химического превращения [13]. Тем более, что данный вид сырья содержал биологически опасные примеси, устранение которых удорожало производство. Отсутствие в достаточных количествах в прошлые годы углеводного сырья послужило второй причиной неконкурентоспособности созданных технологий и прекращения производства ферментов, аминокислот, антибиотиков и других продуктов крупнотоннажной биотехнологии. За постсоветский период наряду с определенными успехами пищевой биотехнологии (производство пива, кисломолочных продуктов и сыра, пищевого спирта) создалась ситуация тотальной зависимости России от продуктов крупнотоннажной биотехнологии, в том числе лекарственных препаратов.

Тем не менее, для нового подъема биотехнологической промышленности ресурсы есть. В качестве сахарсодержащего сырья могут использоваться такие сельскохозяйственные продукты, как сахарная свекла и продукты (отходы) сахарного производства: меласса, свекловичный сок, патока и др. Сахарсодержащее сырье — самый простой и удобный вид сырья для технологической переработки в биоэтанол [14].

Но, в связи с вступлением России, как и всего мира, в глобальный кризис, нельзя не отметить серьезных отрицательных тенденций. Главная из которых - отсутствие достаточной углеводной сырьевой базы непищевого сырья для развития крупнотоннажных биотехнологических производств. Это развитие реально возможно только в случае комплексной глубокой

переработки зерна и других целлюлозо-, сахаросодержащих и крахмал содержащих сельскохозяйственных продуктов и отходов [13].

За последние годы Россия, обладая вторым в мире после США масштабом плодородных площадей, смогла увеличить урожайность зерновых и собрать их в 2008 году более 105 млн. тонн [13, 15]. Сравнение показателей одного из вариантов комплексной переработки зернового сырья с традиционной технологией приведено в таблице 1.1.

Таблица 1.1. - Сравнительная таблица по выходу продукции при переработке 1 млн. тонн пшеницы [13].

Традиционная технология Альтернативная технология

Основные продукты Основные продукты

Продукция % выхода Тоннаж, т Цена в руб. Стоимость в тыс.руб. Продукция % выхода Тоннаж ? т Цена в руб. Стоимость в тыс.руб.

Протеин 6,83 68340 31600 2157000 Протеин 6,83 68340 31600 2157000

Этанол 27,00 270000 22400 603900