Способ получения спирта из гемицеллюлозных гидролизатов растительного сырья

 

Способ предназначен для переработки растительных материалов методом гидролиза с последующим сбраживанием сахаров для получения спирта. Сущность способа переработки гексозных гидролизатов заключается в том, что в качестве растительного сырья для получения последних используют пивную дробину. Ее подвергают гидролизу 1,0 - 3,0% серной кислотой при температуре 100 - 120^oС в течение 2 - 4 часов. После этого получают гидролизат, нейтрализуют его, отделяют осадок, получают сусло. Для сбраживания сахаров полученного сусла в спирт используют дрожжи Sacharomyces uvarum раса Ф-С-2, Candida sehata раса у-1632 или смесь этих культур. В процессе сбраживания проводят постоянное аэрирование в течение 10 минут каждый час. Изобретение позволит повысить выход этанола. 2 табл.

Изобретение относится к переработке растительных материалов методом гидролиза с последующим сбраживанием сахаров для получения этанола.

Этанол является важным сырьем для пищевой, фармацевтической и химической промышленности.

Этанол обычно получают путем химического или микробиологического синтеза. Для микробиологического синтеза используют сахарсодержащие материалы растительного сырья (крахмал картофеля и зерновых злаков, сахара мелассы, а также гидролизаты древесины и сульфитные щелока). Растительное сырье содержит значительное количество гемицеллюлоз, превращающихся при гидролизе в пентозные и гексозные сахара. Разработка способа сбраживания пентоз наряду с гексозами позволит увеличить объем использованных сахаров и повысить общую выработку этанола, получаемого из растительных сырья.

В литературе описан способ получения этанола из смеси ксилозы, глюкозы и арабинозы, заключающийся в непрерывной ферментации смеси сахаров (75% ксилозы, 20% глюкозы, 5% арабинозы) с помощью дрожжей Pichia stipitis NRRZ 17124 [1]. При эффективности конверсии сахаров субстрата, составляющей 80%, концентрация этанола достигала 0,41 г/л.

Известен способ сбраживания D-кислоты дрожжами при 32^oС и pН 2,5, при этом концентрация спирта составляет 0,34 г/л [2].

Известно сбраживание ксилозы мутантами, полученными из родительского штамма Candida Sp. и Sacharomyces cerevisie [3] и дрожжами Pachysolen tannophilus или его мутантами [4].

Наиболее близким по технической сущности является способ микробиологической переработки гемицеллюлозы растительного сырья в этанол. Гемицеллюлоза путем гидролиза переводится в пентозные и гексозные сахара, которые конвертируются в этанол дрожжами Pachysoien tannophilus ВКПМ Y-1532 [5]. Сусло с высоким содержанием ксилозы получали на основе гемицеллюлозной фракции гидролизата смеси лиственной и хвойной древесин. В него перед сбраживанием добавляли сульфат аммония и суперфосфатную вытяжку с целью достижения оптимальной концентрации в сусле 200-300 мг/л азота и 100-150 мг/л фосфора. Температура ферментации составляла 32^oС, pН 4,5-5,0, продолжительность ферментации 36 ч, выход этанола от использованных РВ составлял 32%.

Задачей изобретения является разработка более эффективного способа конверсии гемицеллюлоз растительного сырья в этанол, увеличение выхода этанола от сбраживаемых сахаров.

Сущность способа переработки гексозных гидролизатов заключается в том, что в качестве растительного сырья для получения последних используют пивную дробину, которую подвергают гидролизу 1,0-3,0%-ной серной кислотой при 100-120^oС в течение 2-4 ч, после чего получают гидролизат с высоким содержанием ксилозы, из которого готовят сусло путем нейтрализации гидролизата известью и аммиаком до pН 4,5. Для сбраживания сахаров полученного сусла в этанол используют дрожжи Sacharomyces uvarum раса Ф-С-2, Candida sehata раса у-1632 и смесь этих культур. В процессе сбраживания поддерживают температуру 30-32^oС, pН 4,2-4,6, постоянное аэрирование осуществляют в течение 10 мин каждый час при расходе кислорода 10 л/м³ жидкости.

Культура дрожжи Sacharomyces uvarum раса Ф-С-2 выделена при сбраживании гидролизатов сельхозотходов на спирт. Культура дрожжей Candida sehata раса у-1632 выделена при получении кормового белка на гидролизатах лиственной древесины [6].

Пивная дробина является отходом пивоваренного производства и образуется в результате использования дробленого ячменного солода при варке пивного сусла. На 100 кг вырабатываемого сусла получают 115-130 кг влажной дробины. В зависимости от способа выделения из пивного сусла пивная дробина имеет кашеобразный внешний вид от жидкого до рассыпчатого с слабовыраженным хлебным запахом от светложелтого до коричневого цвета [ТУ-10-5031536-135-90].

Пивная дробина имеет следующий химический состав, %: легкогидролизуемые полисахариды (ЛГП) 29,5; трудногидролизуемые полисахариды (ТГП) 11,0; лигнин 22,5; зола 5,6; серый жир 6,0; неуглеводные составляющие 25,4 [7].

По кормовой ценности 100 кг влажной дробины равны 12,7 кг крахмала.

Из литературы известно применение пивной дробины в качестве добавок в муку при производстве хлебобулочных изделий, корма в молочном животноводстве, компоста после переработки микроорганизмами, а также источника энергии (биогаза).

Новизна способа в соответствии с изобретением заключается в применении нового растительного сырья, в котором содержится значительное количество гемицеллюлоз, из которых в результате гидролиза получают гидролизат, содержащий 86% пентозных сахаров, в том числе содержание ксилозы составляет 57%. Специально подобранные режимы и культуры дрожжей позволяют перерабатывать гемицеллюлозный гидролизат пивной дробины в этанол с высокой эффективностью конверсии сахаров.

Преимуществом разработанного способа является упрощение технологической схемы подготовки сырья за счет смягчения режима гидролиза, разработанного специально для переработки пивной дробины, связанного с ее физико-химическими свойствами. В результате применения предлагаемого способа сокращается количество использованных расходных материалов, обычно применяемых при ферментации микроорганизмов. Нет необходимости добавки стимуляторов роста, биологически активных веществ и питательных солей. В результате реализации способа повышается эффективность использования ксилозы при конверсии в этанол.

Пример 1. В качестве исходного растительного сырья берут пивную дробину в соответствии с ТУ-10-5031536-135-90 в количестве 1 кг, помещают в варочную емкость объемом 5 л, добавляют 25 г Н ₂O₄, в пересчете на моногидрат и 1,75 л воды, создавая в смеси концентрацию варочной кислоты 1,0%. Гидролиз осуществляют при 120^oС в течение 2 ч при гидромодуле 10.

Гидролизат содержал следующие сахара, %: пентозные сахара (ксилоза 1,86, арабиноза 0,95, рамноза 0,02), гексозные сахара (гелактоза 0,34, глюкоза 0,08).

Общее содержание сахаров в гидролизате составляло 3,25%, при этом от суммарной концентрации сахаров количество ксилозы 57,1%, арабинозы 29,2%, рамнозы 0,6%, галактозы 10,5% и глюкозы 3,1%.

Характеристика гидролизата приведена в табл. 1.

Гидролизат при 80^oС нейтрализовали известью до pН 3,6, а затем аммиаком до pН 4,6, осадок отфильтровывали, а полученное сусло засевали дрожжевой культурой Sacharomyces uvarum раса Ф-С-2 до концентрации 20 г/л. В процессе сбраживания выдерживали температуру 30^oС, pН 4,2 и постоянное аэрирование 10 мин каждый час, длительность сбраживания составляла 36 ч. Определяли концентрацию сахаров и спирта бражке и рассчитывали выход этанола от сбраживаемых сахаров.

Результаты сбраживания сахаров приведены в табл. 2.

Пример 2. Аналогично примеру 1 в качестве исходного растительного сырья берут пивную дробину в соответствии с ТУ-10-5031536-135-90 в количестве 1 кг, помещают в пятилитровую варочную емкость, добавляют 75 г Н₂SO₄ в пересчете на моногидрат и 1,75 л воды, создавая в смеси концентрацию варочной кислоты 3,0%. Гидролиз осуществляют при 100^oС в течение 4 ч при гидромодуле 10.

Гидролизат содержал следующие сахара, %: пентозные сахара (ксилоза 1,84, арабиноза 1,00, рамноза 0,01), гексозные сахара (галактоза 0,32, глюкоза 0,06). Общее содержание сахаров в гидролизате составляло 3,23%, при этом от общего количества сахаров в гидролизате концентрация ксилозы 57,0%, арабинозы 31,0%, рамнозы 0,3%, галактозы 9,9% и, глюкозы 1,8%. Характеристика гидролизата приведена в табл. 1.

Гидролизат при 80^oС нейтрализовали известью до рН 3,6, а затем аммиаком до pН 4,6, осадок отфильтровывали и полученное сусло засевали дрожжевой культурой Candida sehata раса ВКПМ у-1632. Концентрация дрожжей 20 г/л. В процессе сбраживания выдерживали температуру 30^oС, pН 4,2 и постоянное аэрирование 10 мин каждый час, длительность сбраживания составляла 36 ч.

Результаты сбраживания сахаров приведены в табл. 2.

Пример 3. Сбраживанию подвергали гидролизат, полученный в примере 1. Сбраживание проводили смесью дрожжевых культур: Sacharomyces uvarum раса Ф-С-2 и Candida sehata раса ВКПМ у-1632 в соотношении 1:1 при концентрации дрожжей 20 г/л. Условия сбраживания аналогично примерам 1 и 2.

Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Как видно из приведенных примеров, гидролизат пивной дробины содержит более 80% пентозных сахаров, в том числе 57% ксилозы, что дает полное основание отнести его к гемицеллюлозным гидролизатам.

В результате конверсии гемицеллюлоз в этанол по предлагаемому способу эффективность процесса составила в среднем 40,5%, что на 26% выше, чем в прототипе.

В случае использования Sacharamyces uvarum количество утилизированной ксилозы было таким же, как в прототипе, в случае использования Candida sechata или смеси этих культур - ниже, чем в прототипе, но общая эффективность превращения сахаров в спирт на 30-50% выше, чем в прототипе, что и доказывает большую эффективность конверсии гемицеллюлоз в этанол.

Предлагаемый способ использования углеводов пивной дробины на спирт не требует дополнительного введения биологически активных веществ и питательных солей и осуществляется при более низкой концентрации дрожжей, чем в прототипе.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. Deiganes J. P. , Moletta R.; Biotechnol. Lett., 1988, 10, N 10, p. 725-730.

2. CEER, Chem. Econ. ahd Eng. Rev., 1982, v. 14, N 5, p. 49-50.

3. Патент US, N 4511656, кл. С 12 Р 7/06, 1985.

4. Патент US, Т 4477569, кл. С 12 Р 7/06, 1984.

5. Борохова О. Э. и др. Микробиологическая переработка гемицеллюлозы в этанол. Ж. Гидролизная и лесохимическая промышленность. 1993, N 3, с. 1-3.

6. Крегер-ван-Рэй. "Дрожжи, таксометрическое изучение", Амстердам, 1884, с. 382-386.

7. Технология солода и пива. - М., 1957, с. 346-347.

Формула изобретения

Способ получения спирта из гемицеллюлозных гидролизатов растительного сырья, включающий сернокислотный гидролиз растительного сырья при повышенной температуре, нейтрализацию гидролизата, отделение осадка с получением сусла, сбраживанием сусла на спирт, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют пивную дробину, которую подвергают гидролизу 1 - 3%-ной серной кислотой при температуре 100 - 120^oС в течение 2 - 4 ч, после чего получают гидролизат, нейтрализуют его, отделяют осадок, получают сусло и осуществляют сбраживание сахаров сусла в спирт, используя культуры дрожжей Sacharomyces uvarum раса Ф-С-2, Candida sehata раса ВКПМу-1632 или смесь этих культур, причем в процессе сбраживания проводят постоянное аэрирование в течение 10 мин каждый час.

РИСУНКИ

Рисунок 1