Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Предобработка и ферментативный гидролиз лигноцеллюлозосодержащих отходов сельского хозяйства

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Предобработка и ферментативный гидролиз лигноцеллюлозосодержащих отходов сельского хозяйства"

На правах рукописи

М

ХАРИНА МАРИЯ ВЛАДИМИРОВНА

ПРЕДОБРАБОТКА И ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Казань-2013

005542935

005542935

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Емельянов Виктор Михайлович

Официальные оппоненты: Панфилов Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», заведующий кафедрой

«Биотехнология»

Минзанова Салима Тахиятулловна, кандидат технических наук, доцент, ФГБУН «Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова» КазНЦ РАН, старший научный сотрудник технологической лаборатории

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук

Защита состоится 25 декабря 2013 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 «<с$>> ЦлЛЩг^Я 2013 г.

Ученый секретарь ( ') Степанова

диссертационного совета 4——- Светлана Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Растущий интерес к использованию растительной биомассы, богатой полисахаридами, обуславливает поиск оптимальных методов ее переработки. Основным критерием при переработке отходов является их стоимость, объем, доступность и локализация, а также химический состав и технологические свойства.

По данным Росстата среди сельскохозяйственных культур по урожайности в Российской Федерации лидируют пшеница и сахарная свекла. Общая мощность российских сахарных заводов в 2012 году составила 307 тыс. т переработки сахарной свеклы в сутки, после которой образуется свекловичный жом в количестве до 80-90 %. Несмотря на то, что к настоящему времени разработан и осуществлен ряд мер по переработке и утилизации отходов свеклосахарной промышленности, по данным Росстата, только 13 % свекловичного жома применяется в качестве кормовых добавок, остальная его часть является невостребованной. Валовый сбор пшеницы в 2012 году составил 37,7 млн. т, при этом на полях сельскохозяйственных предприятий образовалось в среднем 56,6 млн. т пшеничной соломы, лишь 10 % которой используется на скармливание скоту и в качестве подстилки животным, остальная ей часть запахивается в землю и сжигается на полях. Таким образом, солома злаковых культур и свекловичный жом являются крупнотоннажными, доступными и перспективными вторичными ресурсами сельскохозяйственного производства и перерабатывающей промышленности в России.

Растительная клеточная стенка обладает высокой устойчивостью к деградации. Грибы и бактерии, использующие целлюлозу в качестве источника углерода, развили сложный набор ферментов, которые гидролизуют целлюлозу, освобождая мономеры глюкозы. Ферментативный гидролиз является перспективным методом переработки растительной биомассы. Однако при проведении ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных материалов в их нативном виде выход Сахаров достигает менее 20 % от теоретически возможного. Преодоление физико-химических барьеров, препятствующих доступности целлюлозы для ферментов, является важным вопросом, решение которого напрямую связано с поиском низкозатратных методов предварительной обработки сырья. Эффективность данного процесса обуславливает выход целевого продукта в процессе ферментативного гидролиза целлюлозы и экономическую целесообразность всей технологии в целом. Несмотря на относительно высокую каташггическую активность серной, соляной и фосфорной кислот, их использование при гидролизе лигноцеллюлозы все еще экономически не эффективно, так как они обладают сильной коррозионной активностью, стоимость их высока, а нейтрализация их избытка в гидролизатах сопряжена с затратами и нагрузкой на окружающую среду. Перспективным является применение сернистой кислоты, позволяющее сократить расход гидролизующего агента за счет его рекуперации. В связи с этим определение оптимальных режимов предобработки с применением сернистой кислоты, а также исследование влияния ее условий на эффективность ферментативного гидролиза пшеничной соломы и свекловичного жома является актуальной задачей.

Разработка комплексной переработки свекловичного жома и пшеничной соломы позволит не только улучшить экологическую ситуацию, но и получить сырье и дополнительные продукты для химической промышленности и биотехнологических производств.

Целью настоящей работы являлось исследование и оптимизация параметров предобработки и ферментативного гидролиза свекловичного жома и пшеничной соломы, с целью повышения выхода ценных продуктов гидролиза, необходимых для биотехнологии и химической промышленности

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

1. Определить оптимальные условия предобработки свекловичного жома и пшеничной соломы сернистой кислотой и изучить её влияние на эффективность последующего ферментативного гидролиза.

2. Исследовать динамику и определить параметры выхода moho-, олиго- и полисахаридов в процессе предобработки пшеничной соломы, и свекловичного жома разбавленной сернистой кислотой.

3. Определить оптимальные условия ферментативного гидролиза свекловичного жома и пшеничной соломы, предварительно обработанных сернистой кислотой, и исследовать моносахаридный состав ферментолизатов.

4. Разработать математическую модель выхода моносахаридов в процессе предобработки пшеничной соломы разбавленной сернистой кислотой.

5. Подготовить исходные данные для проектирования технологии переработки свекловичного жома и пшеничной соломы.

Научная новизна:

- впервые исследованы и оптимизированы параметры предварительной обработки свекловичного жома с применением разбавленной сернистой кислоты;

- исследован качественный и количественный углеводный состав гидролизатов, получаемых при предварительной обработке свекловичного жома и пшеничной соломы сернистой кислотой и последующем ферментативном гидролизе;

- в результате математического моделирования спрогнозированы оптимальные температурные и временные условия проведения предобработки пшеничной соломы сернистой кислотой;

- созданы предпосылки для проектирования технологии двухстадийной переработки пшеничной соломы и свекловичного жома, заключающейся в предобработке сырья сернистой кислотой с последующим ферментативным гидролизом.

Практическая значимость работы.

Показано, что предвар1ггельная обработка лигноцеллюлозосодержащего сырья сернистой кислотой позволяет значительно повысить выход Сахаров при ферментативном гидролизе.

Разработанная технология предобработки свекловичного жома сернистой кислотой позволяет получать гидролизаты с концентрацией редуцирующих веществ 8,5 % масс, что будет способствовать снижению энергетических и приведенных затрат при их дальнейшем использовании в микробиологической промышленности.

Разработана математическая модель, позволяющая определить оптимальные режимы предварительной обработки пшеничной соломы, обеспечивающие более высокий выход и качество целевого продукта.

Спроектирован и изготовлен аппарат для наработки опытных партий гидролизата и целлюлозы.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных экспериментальных методик, статистических методов обработки результатов, проверкой на воспроизводимость и отсутствием противоречий с ранее известными данными, метрологическими характеристиками поверенных измерительных приборов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011 г.), XII Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2012 г.), на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (2011-2013 гг.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 10 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 5 докладов на международных конференциях, подана заявка на патент.

Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема работ, изложенных в диссертации, включая разработку методик, проведение, обработку и интерпретацию экспериментальных и расчетных исследований, анализ и оформление результатов в виде публикаций и научных докладов. Соавторы не возражают против использования результатов исследований в материалах диссертации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка использованной

заполненный сырьем с добавлением необходимого количества гидролизующего агента. Гидролизер предварительно нагревается до 100 °С с помощью нагревательного элемента ЭНГЛу-400 (3). Разогрев до рабочей температуры осуществляется острым паром и далее температура поддерживается измерителем-регулятором ТРМ 210 (4). При аварийном перегреве давление сбрасывается путем открытия предохранительного клапана (5). Вентиль (6) используется для отвода паров летучих компонентов гидролиза и гидролизующих агентов через елочный дефлегматор (7) в конденсатор (8), охлаждаемый проточной водой. В качестве конденсатора может использоваться холодильник Либиха. Температура паров на выходе дефлегматора измеряется термометром (9). Конденсат собирается в приемной емкости (10).

Ферментативный гидролиз объектов исследования проводили препаратом «Cel!icCTec2» компании «Novozymes» (целлюлаза CAS 9012-54-8, ксиланазаСАБ 37278-89-0).

При выполнении исследований использовали современные методы анализа. Моносахаридный анализ гидролизатов проводили с помощью метода высокоэффективной анионообменной хроматографии (ВЭЖХ) на колонке «CarboPac РА-1» (4 х 250 мм, «Dionex», США), используя импульсный амперометрический детектор PAD («Dionex»), Сканирующую электронную микроскопию проводили на микроскопе «Carl Zeiss EVO LS 10». В полученных гидролизатах определяли содержание редуцирующих веществ (PB), а также применяли стандартные химические и физико-химические методы исследования, используемые в химии и химической технологии растительного сырья. Схема получения анализируемых фракций и методы их исследования представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема получения анализируемых фракций и методы их исследования

Третья глава включает изучение процессов предобработки и ферментативного гидролиза лигноцеллюлозосодержащих отходов сельского хозяйства.

В исходном сырье был определен качественный и количественный состав легко- и трудногидролизуемых полисахаридов. Общее содержание углеводов в свекловичном жоме составило 82,0 % от массы АСВ жома. В составе легкогидролизуемых полисахаридов свекловичного жома доминировали арабнноза, глюкоза и галактуроновая кислота, содержание

6

Графики иллюстрируют хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных для ксилозы, глюкозы, арабинозы и общего количества моносахаридов, полученных при гидролизе 0,59 % масс сернистой кислотой, что подтверждает точность разработанной модели.

Для процессов с более высокой температурой характерно уменьшение времени достижения максимальной концентрации моносахаридов. Высокая температура процесса в большей степени способствует гидролизу, чем разложению. Выход Сахаров, следовательно, увеличивается вместе с температурой реакции. Это означает, что на практике должны быть применены максимально возможные температуры. Верхний предел температуры ограничен только практическими факторами такими, как давление в реакторе и возможность контролировать короткое время реакции. Конструктивные особенности применяемой в исследованиях установки для проведения высокотемпературного гидролиза растительного сырья не позволяют проводить гидролиз при температурах выше 200 "С. В связи с этим представляет интерес прогнозирование процесса гидролиза при более высоких температурах. Дальнейшие расчеты выполнялись с использованием метода имитационного моделирования. Прогнозные значения концентраций моносахаридов при разных концентрациях катализатора приведены на рисунках 19-22.

& 5

6 .....

г- 1

...

щх --........ .....2

г4 ------ 3 " ~ 4 -•_5

15

| 12 s

I 9 I «

5

£ 3

^ ч 2

Ш;

w 4 5 —L' 4 _ - -

100

20 40 60 80 Продолжительность гидролиза, мин

100

0 20 40 60 80

Продолжительность гидролиза, мин

1.........180'С 2.....190'С 3---200 *С

4---210 'С 5 --220'С 6-230°С

а)

Рисунок 19 - Прогнозные зависимости выхода моносахаридов в диапазоне температур от до 230 "С при концентрации сернистой кислоты: а) 0,59 % масс; б) 1,18 % масс

1......■'•• 180 'С

4-- 210!С

2.....190 'С

5--220 'С

)---200 'С

«— ■ ■ 230'С

б)

I 6 £

5 0

М

......1

г з

с___~ — ~ 4

1.........180'С 2.....190 'С 34 - ■ - 210 :С 5 --220''С 6-

-200'С -230 =С

ы

В. 4

О 20 -10 60 S0 100 Продолжительность гидролиза, мин

.....1

7

л' ■ - - 3

/¿у' г--- . i .

0 20 40 60 80 100

Продолжительность гидролиза, мин

1.........180'С 2.....190'С

4---210'С 5 --220'С

■ -200'С — 230 'С

Рисунок 20 - Прогнозные зависимости выхода глюкозы в диапазоне температур от 180 до 230 °С прп концентрации сернистой кислоты: а) 0,59 % масс; б) 1,18 % масс

s

10

s

I6

к- 1

т ч V 1 ...... l

УК 'v.. _ - — «-

§6 К

54

ез

a 2

О

A 0

т ............ 1

1л ч ч S ■ 4 4 3 ^

---- —

0 20 40 60 SO 100 Продолжительность гидролиза, мин

I.........180'С 2.....190'С 3---200'С

4---210 !С 5 --220'С б-230'С

а)

0 20 40 60 80 100 Продолжительность гидролиза, мин

■ 180 !С 2-

•190°С

-2WX 5--220'С

б)

3---200 'С

6-230 "С

Рисунок 21 - Прогнозные зависимости выхода ксилозы в диапазоне температур от 180 до 230 °С при концентрации сернистой кислоты: а) 0,59 % масс; б) 1,18% масс

S

1 1-6

! и

5

е-о,8

§ °'4

о

к о

5 \

•V

/А ..V ' ! i .......... N

V- \ ч ......1

?А V 4 ч ~ ¥ -—2

1 1,6

"i и

1 0,8 3

Г 0,4

I о

5

Ч

h \з ч .......1

- — --2.

О 20 40 60 80 100 Продолжительность гидролиза, мин

1.........180'С 2.....190 *С 3---200 "С 1.........180 *С 2----

4---210 'С 5 -230 !С 4---210'С 5-

а) б)

0 . 20 40 60 80 100 Продолжительность гидролиза, мин

190 'С.

230 'С

3- •

-200 'С

Рисунок 22 - Прогнозные зависимости выхода арабинозы в диапазоне температур от 180 до 230 "С при концентрации сернистой кислоты: а) 0,59 % масс; б) 1,18 % масс , ,

Анализ полученных данных показывает, что температура процесса и концентрация катализатора оказывают существенное влияние на скорость гидролиза полисахаридов различной природы. Согласно расчетным данным, оптимальные условия протекания процесса будут наблюдаться при температуре 230 °С и меньшей концентрации катализатора -

0.59.% масс Расчетное время максимального выхода глюкозы, ксилозы и арабинозы при 230 °С составляет соответственно 5,0, 2,0 и 1,5 мин.

1 ВЫВОДЫ

1. Впервые обоснована и экспериментально подтверждена эффективность применения сернистой кислоты Для деполимеризации полисахаридов свекловичного жома с получением гидролизатов, содержащих 8,5 % масс редуцирующих веществ.

2. Определены оптимальные режимы предобработки свекловичного жома (температура 190 "С, концентрация сернистой кислоты 1 % масс, гидромодуль 1:3, в течение 10 мин) и пшеничной соломы (температура 200 °С, концентрация сернистой кислоты 1,18 % масс, гидромодуль 1:5,8, в течение 15 мин), позволившие увеличить выход глюкозы при ферментативном гидролизе в 4,6 раза и 2,4 раза соответственно.

3. Показано, что среди моносахаридов в гидролизатах, получаемых при предобработке свекловичного жома доминирующими являются арабиноза, галактоза и глюкоза, содержание которых при обработке 1,0 % масс сернистой кислотой при температуре 190 "С в течение 10 мин составило 51,4, 32,9 и 7,3 моль % соответственно. В составе гидролизатов,

полученных при предобработке пшеничной соломы при обработке 1,18 % масс сернистой кислотой при температуре 200 "С, гидромодуле 1:5,8 в течение 15 мин преобладают ксилоза, глюкоза и арабиноза, содержание которых составило 55,1, 20,5 и 13,4 моль % от суммы моносахаридов соответственно.

4. Установлены оптимальные режимы ферментативного гидролиза свекловичного жома (дозировка ферментного препарата 0,05 г/г субстрата, температура 50 °С, рН 5,0, гидромодуль 1:30) и пшеничной соломы (дозировка ферментного препарата 0,07 г/г субстрата, температура 55 °С, рН 4,75, гидромодуль 1:30), позволяющие получить выход глюкозы 48,33 % и 63,97 % от содержания в сырье соответственно.

5. Показано, что в составе гидролизатов объектов исследования, получаемых при гидролизе ферментным препаратом «CellicCTec2» преобладали глюкоза и ксилоза, содержание которых составило 82 моль % и 14 моль % для свекловичного жома, 83 моль % и !7 моль % для пшеничной соломы соответственно.

6. Общий выход глюкозы при предобработке сернистой кислотой и последующем ферментативном гидролизе свекловичного жома и пшеничной соломы составил соответственно 89,42 % и 75,14 % от содержания в сырье.

7. Разработана математическая модель процесса предобработки пшеничной соломы сернистой кислотой. Теоретические зависимости выхода глюкозы, ксилозы н арабинозы, высвобождающихся при предобработке пшеничной соломы сернистой кислотой показали, что оптимальные условия протекания процесса будут наблюдаться при температуре 230 °С и концентрации сернистой кислоты 0,59 % масс с расчетным временем максимального выхода 5,0,2,0 и 1,5 мин соответственно.

8. На основании экспериментов и моделирования получены исходные данные на проектирование технологической линии по переработке лигноцеллюлозосодержащих отходов сельского хозяйства.

Основное содержание диссертационной работы изложено в публикациях: в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Харина М. В. Исследование кинетики высокотемпературного гидролиза свекловичного жома сернистой кислотой / М. В. Харина, В. М. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета.-2013. -№18. -С. 191 - 193.

2. Харина М. В. Математическое моделирование выхода моносахаридов в процессе высокотемпературного гидролиза пшеничной соломы сернистой кислотой / iM. В. Харина, И. В. Логинова, В. М. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2013 -№18. - С. 199-202.

3. Харина М. В. Выбор оптимальных условий предварительной обработки и ферментативного гидролиза свекловичного жома // М. В. Харина, В. М. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №19. -С. 209-211.

4. Харина М. В. Высокотемпературный гидролиз свекловичного жома сернистой кислотой // М. В. Харина, В. М. Емельянов // Башкирский химический журнал. -2013. -№3 - С. 54-57.

5. Харнна М. В. Влияние предварительной обработки на изменение структуры целлюлозосодержащего сырья // М. В. Харина, В. М. Емельянов // Башкирский химический журнал.-2013.-№3 -С. 119-121.

6. Харина М.В. Исследование кинетики и оптимизация условий проведения процесса гидролиза соломы ферментным комплексом NS50012 / М.В. Харина, Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев, В. М. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета - 2012 -№13.-С. 210-212.

7. Харина ¡4. В. Исследование кинетики и оптимизация условий проведения процесса гидролиза соломы ферментным комплексом NS22074 / М. В. Харина, Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев, В. М. Емельянов, А. А. Галеева // Вестник Казанского технологического университета. -2012. -№16. - С. 184- 185.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Харина, Мария Владимировна, Казань

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201453759

ХАРИНА МАРИЯ ВЛАДИМИРОВНА

Предобработка и ферментативный гидролиз лигноцеллюлозосодержащих

отходов сельского хозяйства

03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. В.М. Емельянов

Казань-2013

Содержание

Введение..........................................................................................................................................................................4

1 Характеристика и перспективы использования лигноцеллюлозосодержа-

щих отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности... 8

1.1 Ресурсы лигноцеллюлозосодержащей биомассы на территории Российской Федерации......................................................................................................................................8

1.2 Состав, структура и перспективы использования соломы злаковых............17

1.2.1 Химические и структурные характеристики соломы злаковых......................17

1.2.2 Предварительная обработка и ферментативный гидролиз соломы... 23

1.2.3 Предварительная обработка соломы разбавленными кислотами..............29

1.3 Состав, структура и перспективы использования свекловичного жома.. 33

1.3.1 Химические и структурные характеристики свекловичного жома............33

1.3.2 Предварительная обработка и ферментативный гидролиз свекловичного жома..........................................................................................................................................36

1.3.3 Предварительная обработка свекловичного жома разбавленными кислотами........................................................................................................................................................................39

1.4 Математическое моделирование кинетики предобработки

растительного сырья........................................................................................................................................41

2. Материалы и методы исследования..........................................................................................45

2.1 Характеристика объектов исследования..............................................................................45

2.2 Предварительная обработка..........................................................................................................45

2.3 Ферментативный гидролиз..................................................................................................................47

2.4 Общие методы анализа........................................................................................................................47

2.4.1 Структура исследований................................................................................................................47

2.4.2 Определение редуцирующих веществ методом Макэна-Шоорля................48

до

2.4.3 Определение качественного и количественного состава углеводов.....

2.4.4 Определение зольности..................................................................................................................50

2.4.5 Определение фенольных соединений методом Фолина-Чокальтеу............50

2.4.6 Определение качественного и количественного состава легкогидролизуемых и трудногидролизуемых полисахаридов....................................51

2.4.7 Исследование структуры объектов исследования......................................................51

2.4.8 Глюкозооксидазный метод определения глюкозы................................................52

3 Исследование предварительной обработки и ферментативного гидролиза лигноцеллюлозосодержащих отходов сельского хозяйства............53

3.1 Предварительная обработка свекловичного жома сернистой кислотой... 55

3.2 Исследование ферментативного гидролиза свекловичного жома..................72

3.3 Предварительная обработка пшеничной соломы сернистой кислотой... 80

3.4 Исследование ферментативного гидролиза пшеничной соломы..................95

3.5 Исходные данные на проектирование технологической линии по переработке лигноцеллюлозосодержащих отходов сельского хозяйства... 100

4 Математическое моделирование выхода моносахаридов в процессе предобработки пшеничной соломы сернистой кислотой................................................106

4.1 Модель кинетики реакции..................................................................................................................107

4.2 Учет влияния концентрации катализатора........................................................................110

4.3 Оценка погрешности результатов расчета........................................................................111

4.4 Идентификация параметров кинетики процесса гидролиза................................111

Заключение..................................................................................................................................................................123

Список сокращений и условных обозначений..............................................................................125

Список использованной литературы................................................................................................126

Приложение. Акты использования результатов работы..............................................................145

Введение

Растительная биомасса наряду с углем, нефтью и газом является перспективным видом органического сырья, которое, в отличие от последних, ежегодно возобновляется. Растущий интерес к использованию растительной биомассы, богатой полисахаридами, обуславливает поиск оптимальных методов её переработки. По данным Росстата среди сельскохозяйственных культур по урожайности в Российской Федерации лидируют пшеница и сахарная свекла [1]. Общая мощность российских сахарных заводов в 2012 г составила 307 тыс. т переработки сахарной свеклы в сутки, из которых 80-90 % составляет свекловичный жом [2]. И, несмотря на то, что к настоящему времени разработан и применен ряд мер по переработке и утилизации отходов свеклосахарной промышленности, по данным Росстата, только 13 % свекловичного жома применяется в качестве кормовых добавок, остальная его часть является невостребованной. Валовый сбор пшеницы в 2012 г составил 37,7 млн. т, при этом на полях сельскохозяйственных предприятий образовалось в среднем 56,6 млн. т пшеничной соломы, лишь 10 % которой используется на скармливание скоту и в качестве подстилки животным, остальная её часть запахивается в землю и сжигается на полях [1]. Таким образом, крупнотоннажными, доступными и наиболее перспективными вторичными ресурсами сельскохозяйственного производства и перерабатывающей промышленности в России являются солома злаковых культур и свекловичный жом.

Разработка технологии комплексной переработки отходов сельского хозяйства с получением моносахаридов позволит не только снизить себестоимость сахара, улучшить экологическую ситуацию на сахарных заводах, но и получить дополнительные продукты для химической промышленности и биотехнологических производств.

Растительная клеточная стенка обладает высокой устойчивостью к деградации. Грибы и бактерии, использующие целлюлозу в качестве источника

углерода, развили сложный набор ферментов, которые декристаллизуют и гидролизуют целлюлозу, освобождая мономеры глюкозы. Ферментативный гидролиз является перспективным методом переработки

лигноцеллюлозосодержащей биомассы. Биоконверсия лигноцеллюлозы обладает более высокой селективностью в деградации биомассы до целевого продукта по сравнению с химическими методами переработки. Однако при проведении ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных материалов в их нативном виде выход Сахаров достигает менее 20 % от теоретически возможного. Преодоление физико-химических барьеров, препятствующих доступности целлюлозы для ферментов, является важным вопросом, решение которого напрямую связано с поиском низкозатратных методов предварительной обработки сырья. Эффективность предобработки обуславливает выход целевого продукта в процессе ферментативного гидролиза лигноцеллюлозы и экономическую целесообразность всей технологии в целом. В последнее время было продемонстрировано, что за счет предварительного гидролиза разбавленными кислотами можно достичь высоких скоростей реакций и значительно улучшить дальнейший ферментативный гидролиз целлюлозы. Однако условия предварительной обработки должны быть приспособлены к конкретным химическим и структурным свойствам различных источников биомассы.

Несмотря на относительно высокую каталитическую активность серной, соляной и фосфорной кислот, их использование при предобработке лигноцеллюлозы все еще экономически не эффективно, так как они обладают сильной коррозионной активностью, стоимость их высока, а нейтрализация их избытка в гидролизатах сопряжена с затратами и нагрузкой на окружающую среду [3]. В ходе систематических исследований, проводимых в лаборатории «Инженерные проблемы биотехнологии» ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» было показано, что перспективным является применение сернистой кислоты, позволяющее сократить расход гидролизующего агента за счет его регенерации (до 80 % от используемого

количества кислоты) [4]. Ранее при исследовании обработки пшеничной соломы сернистой кислотой определяли лишь содержание редуцирующих и сухих веществ, при этом качественный и количественный состав углеводов в гидролизатах не оценивался. Однако определение содержания углеводов по концентрации редуцирующих веществ не является вполне точным и информативным. Свойства редуцирующих веществ в анализируемых растворах проявляют не только моносахариды, но и продукты их полного распада. Следовательно, исследование влияния температуры и длительности предобработки соломы сернистой кислотой на состав и содержание углеводов, а также на эффективность последующего ферментативного гидролиза является актуальной задачей.

Основными факторами, влияющими на эффективность предобработки растительного сырья, являются тип биомассы и кислоты, концентрация кислоты, продолжительность и температура реакции. Поэтому кинетическое моделирование режимов кислотного гидролиза представляет большой практический интерес и играет важную роль в проектировании, разработке и эксплуатации всего процесса переработки лигноцеллюлозосодержащей биомассы. Разработка математической модели предварительной обработки пшеничной соломы сернистой кислотой позволит создать более глубокую теоретическую и практическую базу для работ технологического направления с целью рационального использования недревесного растительного сырья.

В связи с этим разработка и моделирование оптимальных режимов предобработки, а также исследование влияния условий предобработки разбавленной сернистой кислотой на эффективность ферментативного гидролиза пшеничной соломы и свекловичного жома является актуальной задачей.

Целью настоящей работы являлось исследование и оптимизация параметров предобработки и ферментативного гидролиза свекловичного жома и пшеничной соломы, с целью повышения выхода ценных продуктов гидролиза, необходимых для биотехнологии и химической промышленности.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

1. Определить оптимальные условия предобработки свекловичного жома и пшеничной соломы сернистой кислотой и изучить её влияние на эффективность последующего ферментативного гидролиза.

2. Исследовать динамику и определить параметры выхода moho-, олиго- и полисахаридов в процессе предобработки пшеничной соломы и свекловичного жома разбавленной сернистой кислотой.

3. Определить оптимальные условия ферментативного гидролиза свекловичного жома и пшеничной соломы, предварительно обработанных сернистой кислотой, и исследовать моносахаридный состав ферментолизатов.

4. Разработать математическую модель выхода моносахаридов в процессе предобработки пшеничной соломы разбавленной сернистой кислотой.

5. Подготовить исходные данные для проектирования технологии переработки свекловичного жома и пшеничной соломы.

Автор выражает свою искреннюю признательность к.х.н., доценту кафедры Химической кибернетики ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» Ирине Владимировне Логиновой за неоценимую помощь в осуществлении математического моделирования процесса предобработки пшеничной соломы сернистой кислотой.

1 Характеристика и перспективы использования лигноцеллюлозосодержащих отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности 1.1 Ресурсы лигноцеллюлозосодержащей биомассы на территории

Российской Федерации

Несовершенство существующих технологий приводит к тому, что в процессе переработки сырья образуются полупродукты, для которых не найдены рациональные области применения. Такие полупродукты обычно называют отходами производства.

Российский агропромышленный комплекс (АПК) ежегодно производит 773 млн. т отходов (260 млн. т по сухому веществу). Из них 220 млн. т (150 млн. т по сухому веществу) приходится на растениеводство и 30 млн. т (14 млн. т по сухому веществу) - на отходы перерабатывающей промышленности [5].

Отходы сельского хозяйства составляют 100-150 % объемов урожаев полевых культур, таких как сахарная свекла, помидоры, картофель, соя, пшеница, рис и другие зерновые культуры [3].

Для оценки объема образующихся отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности рассмотрим валовый сбор сельскохозяйственной продукции в России за последние пять лет (таблица 1). По данным Росстата, высока урожайность таких зерновых культур как пшеница, ячмень, овёс и рожь. Объем производства кукурузы в 2012 г увеличился на 17 % по сравнению с 2011 г и составил 8 млн. т. Среди прочих культур следует выделить сахарную свеклу производственные объемы которой за последние два года увеличились в 1,8 раза и достигли в 2012 г 45,1 млн. т. Из масличных культур преобладает производство подсолнечника, которое в 2012 г составило 7,9 млн. т. Такая же тенденция по объемам производимых культур наблюдается и за предыдущие четыре года [1].

В процессе выращивания и переработки сельскохозяйственных культур на полях и предприятиях накапливается значительное количество отходов. Отходами

переработки сельскохозяйственных культур являются солома, ботва, стебли, листья, корни, некондиционные плоды, кукурузная кочерыжка, подсолнечная, рисовая и просяная лузга, виноградная лоза, свекловичный жом [6]. Таблица 1 - Валовый сбор сельскохозяйственных культур в Российских

хозяйствах всех категорий за 2008 - 2012 гг

Наименование Валовый сбор культур, млн. т/год

2008 2009 2010 2011 2012

Зерновые и зернобобовые культуры

пшеница 63,8 61,7 41,5 56,2 37,7

ячмень 23,1 17,9 8,4 16,9 13,9

кукуруза 6,7 3,9 3,1 6,9 8,2

овёс 5,8 5,4 3,2 5,3 4,0

рожь 4,5 4,3 1,6 2,9 2Д

просо 0,7 0,3 0,1 0,9 0,3

гречиха 0,9 0,6 0,4 0,8 0,8

рис 0,7 0,9 1,1 1,1 1,1

тритикале - 0,5 0,2 0,5 0,5

Масличные культуры

соя 0,8 0,9 1,2 1,8 1,8

подсолнечник 7,4 6,5 5,4 9,7 7,9

рапс 0,9 0,7 0,7 1,1 1,0

Технические культуры

сахарная свекла 28,9 24,9 22,3 47,6 45,1

Прочие культуры

виноград 0,3 0,3 0,3 0,4 0,3

тыква столовая 0,5 0,6 0,5 0,6 0,6

При сборе урожая зерновых культур биологический выход его нетоварной

части (соломы и половы) определяется произведением количества собранного зерна на множитель, который зависит от вида зерновой культуры, для озимой ржи - 1,6-2,0; яровой пшеницы и овса - 1,3-1,5, ячменя - 1,2; кукурузы - 2,5; подсолнечника - 2,8) [6, 7]. Так при сборе в 2012 году в Республике Татарстан 3,2 млн. т зерна на полях сельскохозяйственных предприятий образовалось в среднем 5,0 млн. т соломы [8, 9].

Свекловичный жом - побочная продукция переработки сахарной свеклы. Основной объем сахарной свеклы, выращиваемой в России, перерабатывается на

российских сахарных заводах. На территории Приволжского региона России функционирует четырнадцать сахарных заводов, которые ежедневно перерабатывают сорок тысяч тонн сахарной свеклы [2]. В Республике Татарстан в настоящее время работает три сахарных завода -ООО «Буинский сахарный завод», ОАО «Заинский сахар» и ЗАО «Нурлатский сахар», перерабатывающих 11,5 тыс. т сахарной свеклы в сутки [2].

Выход готовой продукции в сахарной промышленности в несколько раз ниже, чем объем сырья и вспомогательных материалов. Средний выход сахара при переработке сахарной свеклы составляет 10-12 %, при этом образуется 80-84 % сырого свекловичного жома [10].

Таким образом, при уборке и переработке урожая образуются, вторичные ресурсы, содержащие от 10 до 25 % сухих веществ (углеводы, белки, лигнин, смолы, дубильные вещества, зольные элементы). Химический состав некоторых видов отходов выращивания и переработки сельскохозяйственных культур представлен в таблице 2.

Химический состав отходов сельскохозяйственного производства неоднороден и колеблется в широких пределах. Основная составная часть вторичных ресурсов растительного происхождения представлена полисахаридами, суммарное количество которых колеблется от 47 до 71 %. К ним относятся легкогидролизуемые полисахариды, способные гидролизоваться разбавленными минеральными кислотами, например, 2-5 % соляной кислотой при температуре 100 °С, и трудногидролизуемые полисахариды подвергающиеся деструкции концентрирован-ными кислотами при комнатной температуре и разбавленными минеральными кислотами при повышенной температуре 160-190 °С [11]. Трудногидролизуемые полисахариды представлены главным образом целлюлозой, а также незначительным количеством связующих полисахаридов сопутствующих глюкозе, содержащих ксилозу и маннозу, которые детектируются