Способ кондиционирования растительного сырья

Изобретение предназначено для использования в биотехнологии, в частности для кондиционирования растительного сырья перед ферментативным гидролизом. Обрабатывают растительное сырье ультразвуком в жидкой двуокиси углерода, после чего сбрасывают давление, обеспечивая взрывное разволокнение сырья, закисленного угольной кислотой. Изобретение обеспечивает получение сахаров, пригодных в качестве компонента питательной среды микроорганизмов, используемых для производства, например, этанола, бутанола и/или других органических соединений, получаемых методами микробиологического синтеза.

 

Изобретение предназначено для использования в биотехнологии, в частности для кондиционирования растительного сырья с целью удаления смол и терпенов, а также обеспечения максимальной доступности полисахаридов для их ферментативной трансформации в сахара, пригодные в качестве компонента питательной среды микроорганизмов, используемых для производства, например, этанола, бутанола и/или других органических соединений, получаемых методами микробиологического синтеза.

Для достижения поставленной цели предварительно измельченное растительное сырье обрабатывают жидким диоксидом углерода [1].

Известны способы предобработки растительного сырья растворителями - этиловым спиртом, гексаном, другими органическими растворителями, позволяющие извлекать смолы, терпены, другие соединения, оказывающие нежелательное влияние на процессы дальнейшей обработки растительного сырья (например, ферментативный гидролиз) [2]. Указанные растворители, как правило, относятся к категории ЛВЖ (легко воспламеняющиеся жидкости) и требуют применения специальных способов защиты.

Известен также способ «парового взрыва», требующий кратковременного повышения температуры до значений, практически вдвое превышающих температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении, и обеспечивающего разволокнение растительного сырья и увеличения доступности полисахаридов ферментам при ферментативном гидролизе [3, 4].

Известен также способ обработки растительного сырья кислотами с целью гидролиза (кислотный гидролиз), приводящий к образованию большого количества отходов [5].

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ парофазного непрерывного гидролиза гемицеллюлоз растительного сырья в производстве ксилита [3].

Настоящее изобретение направлено на:

- реализацию возможности удаления смол, терпенов и других ценных веществ, оказывающих, однако, негативное влияние на последующую ферментативную переработку растительного сырья для получения раствора сахаров, пригодных в качестве компонента питательной среды микроорганизмов, используемых для производства, например, этанола, бутанола и/или других органических соединений, получаемых методами микробиологического синтеза,

- насыщения растительного сырья диоксидом углерода с целью снижения рН за счет образования угольной кислоты при взаимодействии диоксида углерода с содержащейся в сырье влагой,

- разволокнение растительного сырья для увеличения доступности полисахаридов ферментам при ферментативном гидролизе.

Указанный результат достигается тем, что обработка растительного сырья ведется под давлением и действием ультразвука в жидкой двуокиси углерода, являющейся растворителем для смол, терпенов, масел, в том числе эфирных, а последующий быстрый сброс давления обеспечивает разволокнение растительного сырья. Взаимодействие двуокиси углерода с влагой, содержащейся в сырье, приводит к образованию угольной кислоты и снижению рН среды, что способствует гидролизу сахаров. Ускорение процессов взаимодействия жидкой двуокиси углерода с древесной массой обеспечивают действием ультразвука с частотой 35 кГц и плотностью акустической энергии в поле, составляющей ~ 0,2 Вт/см³ [6, 7].

Отсутствие процессов, сопровождающихся повышением температуры, обеспечивает высокую сохранность биологически активных веществ, предотвращает возможность образования фурфурола, негативно влияющего на рост и развитие микроорганизмов, используемых для дальнейшей переработки веществ, извлеченных из растительного сырья.

Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого способа обеспечивает достижение указанного результата.

В результате проведенного анализа уровня техники кондиционирования растительного сырья источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку предложенный способ обладает комплексом свойств, обеспечивающих

- ускоренное удаление смол, терпенов и других веществ, оказывающих негативное влияние на последующую переработку растительного сырья для получения раствора сахаров;

- ускоренное насыщение растительного сырья диоксидом углерода с целью снижения рН за счет образования угольной кислоты при взаимодействии диоксида углерода с содержащейся в сырье влагой, что способствует ускорению гидролиза сахаров,

- разволокнение растительного сырья для увеличения доступности полисахаридов ферментам при дальнейшем ферментативном гидролизе.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.

Проверку возможности реализации изобретения проводили, помещая древесные опилки с влажностью % в жидкую двуокись углерода, обрабатывали ультразвуком с последующим быстрым сбросом давления и испарением жидкой двуокиси углерода.

Эффективность метода оценивали по количеству экстрагированной смолы на единицу массы древесины, измельченной до размера примерно 1 мм, по изменению рН содержащейся в древесине жидкости, по скорости и глубине ферментативного гидролиза целлюлозы после кондиционирования древесины по предложенному изобретению.

Сущность изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Измельченное растительное сырье виде опилок осины помешают в СO₂ экстрактор с вмонтированным излучателем ультразвука, подвергают стандартной СO₂ экстракции, сопровождаемой действием ультразвука в течение 30 с с плотностью энергии 0,2 Вт/см³, сбрасывают давление, отделяют опилки от экстрагированной фракции, суспендируют в воде в соотношении 1:10 и подвергают ферментативному гидролизу.

Часть опилок отбирают до гидролиза, экстрагируют водой и измеряют рН.

В экстракте измеряют содержание экстрагируемых веществ.

В процессе гидролиза отбирают пробы и анализируют на наличие сахаров.

В результате экстракции с применением ультразвука из опилок осины было извлечено ~4% экстрактивных веществ.

В результате экстракции без применением ультразвука из опилок осины было извлечено ~1,3% экстрактивных веществ.

Пример 2

Измельченное растительное сырье виде опилок сосны, высушенных в естественных условиях, помешают в СO₂ экстрактор с вмонтированным излучателем ультразвука в течение 30 с, подвергают стандартной СO₂ экстракции, сопровождаемой действием ультразвука с плотностью энергии 0,2 Вт/см³, сбрасывают давление, отделяют опилки от экстрагированной фракции, суспендируют в воде в соотношении 1:10 и подвергают ферментативному гидролизу.

Часть опилок отбирают до гидролиза, экстрагируют водой и измеряют рН.

В экстракте измеряют содержание экстрагируемых веществ.

В результате экстракции с применением ультразвука из опилок сосны, высушенной в естественных условиях, было извлечено 2% экстрактивных веществ.

В результате экстракции без применения ультразвука из опилок сосны, высушенной в естественных условиях, было извлечено 0,8% экстрактивных веществ.

После экстракции кислотность водной вытяжки оказалась равной рН 4,2.

В результате гидролиза обессмоленных опилок получено 17,83 г/л глюкозы и 0,65 г/л ксилозы.

В контроле (без экстракции смолистых веществ) - 13,8 г/л глюкозы и 0,27 г/л ксилозы.

Пример 3

Измельченное CO₂ растительное сырье виде опилок сосны, высушенных горячими дымовыми газами, помешают в СО₂ экстрактор с вмонтированным излучателем ультразвука, подвергают стандартной СO₂ экстракции, сопровождаемой действием ультразвука в течение 30 с при плотности энергии 0,2 Вт/см², сбрасывают давление, отделяют опилки от экстрагированной фракции, суспендируют в воде в соотношении 1:10 и подвергают ферментативному гидролизу.

Часть опилок отбирают до гидролиза, экстрагируют водой и измеряют рН.

В экстракте измеряют содержание экстрагируемых веществ.

В результате экстракции с применением ультразвука из опилок сосны, высушенных горячими дымовыми газами, было извлечено 3,8% экстрактивных веществ.

В результате экстракции без применения ультразвука из опилок сосны, высушенных горячими дымовыми газами, было извлечено 1,9% экстрактивных веществ.

После экстракции кислотность водной вытяжки оказалась равной рН 4,4.

В результате гидролиза обессмоленных опилок получено 11,8 г/л глюкозы и 2,97 г/л ксилозы.

В контроле (без экстракции смолистых веществ) - 5,52 г/л глюкозы и 2,12 г/л ксилозы.

Приведенные примеры иллюстрируют, что предобработка измельченного до миллиметровых размеров древесного сырья жидким диоксидом углерода в поле ультразвука обеспечивает ускоренное удаление смолистых веществ из растительного сырья, образование в растительном сырье угольной кислоты за счет взаимодействия насыщающего растительное сырье диоксида углерода с содержащейся в растительном сырье влагой, разволокнение растительного сырья, что обуславливает ускорении ферментативного гидролиза содержащейся в нем целлюлозы.

Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о том, что заявленное изобретение, предназначенное для использования в биотехнологии, в частности для кондиционирования растительного сырья перед ферментативным гидролизом, обладает заявленными выше свойствами. Для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Литература:

1. Heidi Brogle // СO₂ as a solvent: its properties and applications// "Chemistry and Industry" - 19 June, 1982.

2. Богомолов Б.Д. Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений. М.: Лесная промышленность, 1972.

3. Чалов Н.В., Нагалюк Е.А., Чепиго С.В., Кунина А.И., Блинова Н.М., Захарьевский В.М. Парофазный непрерывный гидролиз гемицеллюлоз растительного сырья в производстве ксилита, Гидролизная и лесохимическая промышленность. 1980. 6. С 3-7.

4. Азаров В.И. Химия древесины и синтетических полимеров, 1999, 629 с.

5. Трофимова Н.Н., Бабкин В.А., Чемерис М.М. Катализируемый паровзрывной гидролиз целлолигнинового остатка древесины лиственницы. Химия растительного сырья. 2002. №2. С.53-56.

6. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Главн. редак. И.П.Голямина. Советская энциклопедия. М.: - 1989 г. 399 с.

7. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами (ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии). - М., Изд-во РГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005, 300 с.

Способ кондиционирования растительного сырья, отличающийся тем, что растительное сырье обрабатывают ультразвуком в жидкой двуокиси углерода, после чего сбрасывают давление, обеспечивая взрывное разволокнение растительного сырья, закисленного угольной кислотой.