Способ получения этанола из морских водорослей

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно, к получению этанола из морских водорослей. Способ предусматривает проведение химического и ферментативного гидролиза биомассы из высушенных морских водорослей, стерилизацию распадающейся биомассы, введение в последнюю дрожжей Schizosaccharomyces pompe, или Candida utilis, или Saccharomyces cerevisiae, способных вызвать брожение, и последующее отделение получившегося этанола от бродящего раствора. Изобретение позволяет снизить затраты и повысить экологическую безопасность при производстве. 9 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способу получения биоэтанола из морских водорослей, которые после ферментативного гидролиза могут использоваться в качестве компонентов питательной среды как для получения этанола, так и биологически активных веществ (антибиотиков, органических кислот и ферментов).

Кроме того, настоящее изобретение решает задачу дополнительной утилизации таких ферментативных гидролизатов различных представителей морских водорослей (бурых и красных), которые содержат в своем составе углеводы, декстрины и целлобиозу.

Например, для последующей ферментации при получении антибиотиков (пенициллин, эритромицин, цефаллоспорин), органических кислот (лимонную кислоту, янтарную кислоту, яблочную кислоту), аминокислот и пептидов и гидролитических ферментов, а также для получения смеси аминокислот для парентерального питания.

В течение длительного времени этиловый спирт получали путем переработки продуктов сельского хозяйства, но в середине XX столетия было освоено производство синтетического этилового спирта из нефти.

Углеводы в сельскохозяйственных продуктах содержатся в виде димеров, гексозных сахаров (сахароза), в сахарном тростнике и сахарной свекле, либо крахмала, получаемого из кукурузы, картофеля и зерна.

Несомненно - самым перспективным источником углеводов, из которых может быть получен этанол, являются целлюлозосодержащие материалы -древесина, солома, шелуха риса.

Сахарный тростник и сахарная свекла содержат углеводы в виде сахарозы, которая может расщепляться микроорганизмами, в частности истинными дрожжами Saccharomyces cerevisiae, то есть предварительная подготовка для них не требуется.

Аналогичным источником является меласса свекловичная по ГОСТ Р 52304-2005 «Меласса свекловичная. Технические условия». Меласса является отходом сахарного производства с высоким содержанием сухих веществ (в основном, сахароза) от 60 до 75%, которая непосредственно сбраживается дрожжами без предварительной подготовки.

Крупные предприятия по производству спирта работают на крахмалсодержащем сырье, но крахмал дрожжи не сбраживают, так как не имеют амилолитических ферментов.

В связи с этим в технологическом процессе подготовки сырья обязательно включена стадия подготовки крахмалсодержащего сырья, разваривание и осахаривание разваренной массы.

Подготовка крахмалсодержащего сырья включает его очистку и измельчение на дробилках.

Разваривание проводится перед проведением гидролиза крахмала амилолитическими ферментами путем подачи острого пара при температуре 130-160°С.

На качестве спирта отрицательно сказывается разрушение пектиновых веществ, идущее с образованием метилового спирта, и термический распад углеводов - с образованием токсичных соединений - фурфурола и оксиметилфурфурола. Подготовленная масса гидролизуется ферментами - амилазами, в результате крахмал гидролизуется до моноуглевода - глюкозы, которая утилизируется дрожжами.

В патенте US 6908995 (дата публикации 2005-06-21, С08В 1/08, С08В 15/00) «Производство углеводородов, спирта и смолы из биомассы» описан процесс получения этанола из биомассы при обработке ее нагретым 20-40% щелочным раствором для разрушения лигнин-целлюлозного комплекса. Затем при нагревании биомассы образуется смесь, содержащая углеводы, модифицированный лигнин, микроцеллюлозу, лигнин-целлюлозную смолу. Затем проводят фракционирование компонентов и выделяют кристаллы целлюлозы, которые вносят в питательную среду, на которой выращивают дрожжи с образование этанола. Недостатком данного изобретения является неполное разрушение целлюлозо-лигнинового комплекса, образование смолы и освобождение только части целлюлозы. При этом не освобождается гемицеллюлоза и пектин.

В патенте РФ 2284355 (дата публикации 2006.09.27, С12Р 7/06) «Способ получения этанола» предлагается способ получения этанола из растительного сырья. В качестве растительного сырья рассматриваются древесина, торф, отходы сельскохозяйственного и текстильного производства. Выращивание микроорганизмов, анаэробно-спиртовое брожение проводится на гидролизатах, полученных при кислотном гидролизе. В этом процессе остается лигнин, который не утилизируется, но при этом разрушается естественный растительный мир, а в воздух попадают токсические вещества - метиловый спирт, фурфурол, муравьиная и уксусная кислоты, серная кислота. Перед брожением для нейтрализации гидролизатов добавляют аммиачную воду.

В заявке ЕА 200700523 (дата публикации 26.10.2007, C07D 307/50) «Способ и устройство для непрерывной переработки возобновляемого сырья описывается переработка лигнино-целлюлозных материалов, с проведением непрерывного гидролиза под давлением и при высокой температуре. Гидролизаты используются в качестве компонента питательной среды для развития дрожжей в анаэробных условиях с образованием спирта, который очищается и концентрируется с помощью ректификации. При этом получается технический спирт, то есть для получения спирта пищевого назначения необходимо поставить несколько последовательно расположенных ректификационных колонн. Данный метод воспроизводит гидролизный способ получения пентоз и гексоз из древесины, который не соответствует ни одному требованию экологии к производственному процессу. Все такие производства в России закрыты.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ по заявке WO 2007101172 (дата публикации 2007-09-07, C12N 1/12; С12Р 7/06) «Процесс получения этанола из водорослей». В данной заявке описывается процесс получения этанола из водорослей, нитевидных или колониеобразующих, развивающихся на водной поверхности. Их отличие от всех известных водорослей в том, что они накапливают крахмал (криптофитовые водоросли). Предлагаемый способ включает сбор морских водорослей и сушку их на воздухе, формирование биомассы из высушенных морских водорослей, инициирование распада биомассы, введение в распадающуюся биомассу дрожжей, способных вызвать в ней брожение для образования бродящего раствора, отделение получившегося этанола от бродящего раствора. Данный способ применим только к водорослям, которые содержат крахмал. Таких водорослей очень мало - они составляют только 0,05% всех известных водорослей. Для их получения необходимо их искусственно выращивать. Это процесс дорогостоящий, поэтому получение этанола из этого вида водорослей становится нецелесообразным.

Задачей предлагаемого изобретения является создание экономичного и экологически чистого способа получения этанола из морских водорослей, которые широко распространены в водоемах нашей страны.

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение затрат и повышение экологической безопасности способа получения этанола из морских водорослей.

Достигается технический результат за счет того, что предлагается использовать химический и ферментативный гидролиз для распада биомассы водорослей и определенные виды дрожжей, поскольку при этом не выделяется лигнин, который является основным элементом, ухудшающим экологию при производстве этанола. Также использование предлагаемого способа позволяет производить этанол из любых видов водорослей, что делает этот способ эффективным и экономически обоснованным.

В способе получения этанола из морских водорослей, включающем формирование биомассы из высушенных морских водорослей, инициирование распада биомассы, введение в распадающуюся биомассу дрожжей, способных вызвать в ней брожение для образования бродящего раствора, отделение получившегося этанола от бродящего раствора, предлагается:

- формирование биомассы высушенных водорослей проводить путем их измельчения механическим способом и последующего замачивания в воде в соотношении 1:5,

- распад полученной биомассы осуществлять последовательно сначала с помощью химического, затем ферментативного гидролизов с последующей стерилизацией распадающейся биомассы, причем реакцию химического гидролиза проводить с помощью пергидроля (H₂O₂), а реакцию ферментативного гидролиза проводить с помощью комплексов ферментов целлюлаз, гемицеллюлаз, пектиназ и десульфатаз,

- для брожения использовать дрожжи SchizosaccharomycesPompe, или Candida utilis, или Saccharomyces cerevisiae.

Дополнительными отличиями предлагаемого способа являются:

- в качестве морских водорослей предлагается использовать промысловые водоросли, например бурые (Laminariales japonica, L. dentiqera), красные (Ahnfeltia plicata, Furcellaria tastigiata), зеленые;

- измельчение высушенных водорослей предлагается проводить до размера частиц 5-6 см;

- предлагается замачивать измельченные водоросли в воде в течение 2 часов.

- предлагается проводить реакцию химического гидролиза при температуре 50-60°С в течение 30-60 минут;

- реакцию ферментативного гидролиза предлагается проводить при температуре 45-85°С в течение 120 минут.

- реакции химического и ферментативного гидролизов предлагается осуществлять в многосекционном реакторе барабанного типа;

- стерилизацию распадающейся биомассы предлагается проводить в ферментаторе при температуре 118-120°С в течение 40-60 минут;

- отделение этанола предлагается начинать, когда уровень этанола в бродящем растворе составляет выше 8-10% объема;

- после отделения этанола бродящую жидкость при температуре 45-55°С в течение 18-24 мин предлагается подвергать автолизу, после чего использовать как углеводно-белковую кормовую добавку.

Примеры

1. Процесс получения биоэтанола в лабораторных условиях.

Процесс получения биоэтанола состоит из следующих этапов:

- приготовление питательной среды;

- приготовление посевного материала S.Cerevisiae;

- основная анаэробная ферментация;

- отгонка спирта из нативного раствора;

- ректификация спирта.

В эксперименте в качестве питательной среды использованы ферментативные гидролизаты водорослей, полученные во время ферментативного гидролиза водорослей (представители бурых и красных водорослей) - ферментативным комплексом, содержащим целлюлазу, гемицеллюлазу и пектиназу. Кроме моноуглеводов и дисахаридов, гидролизаты содержат аминокислоты, пептиды и белки, соли фосфора и минеральные катионы (соли ионов Са, Mg, Na и К) и витамины группы А и В.

Приготовление питательной среды включает разбавление ферментативных гидролизатов в 2 раза (до концентрации углеводов 14%) питьевой водой, доводили рН до значения 5,0.

Среду разливали по 250 мл в колбы Бунзена, ставили на стерилизацию в паровом автоклаве при температуре 120°С в течение 40 мин.

В колбы Бунзена после охлаждения вносили взвесь дрожжей S.Cerevisiae в количестве по объему 5%. Проводили ферментацию при 26°С в течение 72-96 час.

После окончания ферментации в культуральной жидкости накапливалось 7% этилового спирта. Таким образом, выход на стадии ферментации достигал 45%. Теоретический выход этилового спирта равен 80%. Культуральная жидкость фильтруется через слой бязи и бельтинга. Фильтрат концентрировали на вакуум-ротационном испарителе 5 раз и затем проводили ректификацию до концентрации 96%, сивушных масел -1,5-2,0%.

Анализ полученного биоспирта показал, что он по нормируемым показателям соответствует техническим показателям биотоплива.

2. Процесс получения биоэтанола в лабораторных условиях.

Схема постановки эксперимента полностью соответствует процессу постановки в примере 1 и состоит из следующих этапов:

- приготовление питательной среды;

- приготовление посевного материала Candida utulis;

- основная анаэробная ферментация;

- отгонка спирта из нативного раствора;

- ректификация спирта.

В эксперименте в качестве питательной среды использованы ферментативные гидролизаты водорослей, полученные во время ферментативного гидролиза водорослей (представители бурых и красных водорослей) - ферментативным комплексом, содержащим целлюлазу, гемицеллюлазу и пектиназу. Кроме моноуглеводов и дисахаридов, гидролизаты содержат аминокислоты, пептиды и белки, соли фосфора и минеральные катионы (соли ионов Са, Mg, Na и К) и витамины группы А и В.

Приготовление питательной среды включает разбавление ферментативных гидролизатов в 2 раза (до концентрации углеводов 14%) питьевой водой, доводили рН до значения 5,0.

Среду разливали по 250 мл в колбы Бунзена, ставили на стерилизацию в паровом автоклаве при температуре 120°С в течение 40 мин.

В колбы Бунзена после охлаждения вносили взвесь дрожжей Candida utilis в количестве по объему 5%.

Проводили ферментацию при 26°С в течение 72-96 час.

После окончания ферментации в культуральной жидкости накапливалось 8% этилового спирта. Таким образом, выход на стадии ферментации достигал 55%. Теоретический выход этилового спирта равен 80%. Культуральная жидкость фильтруется через слой бязи и бельтинга. Фильтрат концентрировали на вакуум-ротационном испарителе 5 раз и затем проводили ректификацию до концентрации 96%, сивушных масел - 1,5-2,0.

Анализ полученного биоспирта показал, что он по нормируемым показателям соответствует техническим показателям биотоплива.

3. Процесс получения биоэтанола на пилотной установке.

Схема постановки эксперимента полностью соответствует процессу, описанному в примере 1, и состоит из следующих этапов:

- приготовление питательной среды;

- приготовление посевного материала Schizosaccharomyces Pompe;

- основная анаэробная ферментация;

- отгонка спирта из нативного раствора;

- ректификация спирта.

Отличительной особенностью проведения ферментации на пилотной установке является масштабирование процесса. Нами использована установка с ферментатором объемом 5 л, рабочий обьем 4,0 л. Подача воздуха проводится ступенчато: в первые 15 час культивирования подается воздух 0,5 об/об среды, а в следующие часы культивирования воздух не подавался - создавались анаэробные условия культивирования, проходило образование этанола.

Приготовление питательной среды включало: загрузку в ферментатор 2,0 л гидролизатов, столько же воды, рН среды устанавливался подтитровкой щелочью (NaOH) до рН 5,5. Аппарат закрывался герметично и стерилизовался при 120°С в течение 60 мин, затем аппарат охлаждался до 36°С. В ферментатор вносили посевной материал и запускали ферментацию. Процесс проводили при включенном перемешивающем устройстве (мешалке). Продолжительность процесса ферментации - 72 часа.

В культуральной жидкости накопилось 8% спирта, что составило 45% выхода. Культуральная жидкость фильтровалась через слой бязи и бельтинга. Жидкая фаза концентрировалась на ротационном вакуум-испарителе и спирт ректифицировали на ректификационной колонке.

4. Процесс получения биоэтанола в лабораторных условиях с описанием способа подготовки гидролизатов водорослей.

Процесс получения биоэтанола состоит из следующих этапов:

- приготовление ферментативных гидролизатов водорослей;

- приготовление питательной среды;

- приготовление посевного материала SchizosaccharomycesPompe;

- основная анаэробная ферментация;

- отгонка спирта из нативного раствора;

- ректификация спирта.

Ферментативные гидролизаты водорослей получали следующим образом: брали 1 кг высушенных морских водорослей, измельчали с помощью секатора до размера частиц 5-6 см, помещали в сетчатый мешок и опускали его в реактор с водой (соотношение водоросли - вода 1:5) на 2 часа. Перемешивание проводили подачей воздуха через барботер. Затем воду сливали и заливали таким же количеством и вносили пергидроль (0,2%). Химический гидролиз и стерилизацию пергидролем проводили в течение 30 минут. Под действием пергидроля происходил гидролиз липидов и происходил разрыв связи в комплексе белок-пектин, что приводило к разрыву клеточной стенки. Все внутриклеточные углеводы выходили наружу. Следующим этапом было проведение ферментативного гидролиза при добавлении ферментов - целлюлазы, гемицеллюлазы, пектиназы и сульфатазы при 50°С, процесс проводили в течение 2-4 часов. Полученные гидролизаты на нучфильтре отделяли от остатков водорослей и использовали в качестве компонентов питательной среды.

В эксперименте в качестве питательной среды использованы ферментативные гидролизаты водорослей, полученные во время ферментативного гидролиза водорослей (представители бурых и красных водорослей) - ферментативным комплексом, содержащим целлюлазу, гемицеллюлазу и пектиназу. Кроме моноуглеводов и дисахаридов, гидролизаты содержат аминокислоты, пептиды и белки, соли фосфора и минеральные катионы (соли ионов Са, Mg, Na и К) и витамины группы А и В.

Приготовление питательной среды включает разбавление ферментативных гидролизатов в 2 раза (до концентрации углеводов 14%) питьевой водой, доводили рН до значения 5,0.

Среду разливали по 250 мл в колбы Бунзена, ставили на стерилизацию в паровом автоклаве при температуре 120°С в течение 40 мин.

В колбы Бунзена после охлаждения вносили взвесь дрожжей Schzosaccharomyces pompe в количестве по объему 5%. Проводили ферментацию при 26°С в течение 72-96 час.

После окончания ферментации в культуральной жидкости накапливалось 7% этилового спирта. Таким образом, выход на стадии ферментации достигал 45%. Теоретический выход этилового спирта равен 80%. Культуральная жидкость фильтруется через слой бязи и бельтинга. Фильтрат концентрировали на вакуум-ротационном испарителе 5 раз и затем проводили ректификацию до концентрации 96%, сивушных масел - 1,5-2,0%.

Анализ полученного биоспирта показал, что он по нормируемым показателям соответствует техническим показателям биотоплива.

Среднее количество биомассы, которое обычно дают водоросли, составляет 15-25 г/м² сухой массы в сутки, а максимальная скорость ее образования колеблется в пределах 30-40 г/м² сухой массы в сутки. С одного акра земли можно получить 255 литров соевого масла или 2400 литров пальмового масла. С такой же площади водной поверхности можно получить 36000 л спирта.

В производстве биоэтанола стоимость сырья (крахмал, сахар) составляет 70-80% себестоимости этанола.

В производстве биоэтанола на морских водорослях стоимость сырья снизится до 30% себестоимости этанола, если производство будет построено на берегу моря, где будут собираться водоросли (например, берег Баренцевого моря). Плантации водорослей в Баренцевом море ориентировочно составляют 0,1 тыс.га, что обеспечит производство 18 млн. литров биотоплива.

1. Способ получения этанола из морских водорослей, включающий формирование биомассы из высушенных морских водорослей, инициирование распада биомассы, введение в распадающуюся биомассу дрожжей, способных вызвать в ней брожение для образования бродящего раствора, отделение получившегося этанола от бродящего раствора, отличающийся тем, что формирование биомассы высушенных водорослей проводят путем их измельчения механическим способом и последующего замачивания в воде в соотношении 1:5, распад полученной биомассы осуществляют последовательно сначала с помощью химического, затем ферментативного гидролизов с последующей стерилизацией распадающейся биомассы, причем реакцию химического гидролиза проводят с помощью пергидроля (Н₂О₂), а реакцию ферментативного гидролиза проводят с помощью комплексов ферментов целлюлаз, гемицеллюлаз, пектиназ и десульфитаз, для брожения используют дрожжи Schizosaccharomyces pompe, или Candida utilis, или Saccharomyces cerevisiae.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве морских водорослей используют промысловые водоросли, например бурые (Laminariales japonica, L. dentiqera), красные (Ahnfeltia plicata, Furcellaria tastigiata), зеленые.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что измельчение высушенных водорослей проводят до размера частиц 5- 6 см.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что замачивают измельченные водоросли в воде в течение 2 ч.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что реакцию химического гидролиза проводят при температуре 50-60°С в течение 30-60 мин.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что реакцию ферментативного гидролиза проводят при температуре 45-85°С в течение 120 мин.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что реакции химического и ферментативного гидролизов осуществляют в многосекционном реакторе барабанного типа.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что стерилизацию распадающейся биомассы проводят в ферментаторе при температуре 118-120°С в течение 40-60 мин.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что отделение этанола начинают, когда содержание этанола в бродящем растворе составляет выше 8-10% объема.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что после отделения этанола бродящая жидкость при температуре 45-55°С в течение 18-24 мин подвергается автолизу, после чего используется как углеводно-белковая кормовая добавка.