Способ предварительной обработки целлюлозосодержащего сырья для ферментативного гидролиза



Способ предварительной обработки целлюлозосодержащего сырья для ферментативного гидролиза
Способ предварительной обработки целлюлозосодержащего сырья для ферментативного гидролиза

 


Владельцы патента RU 2533921:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (RU)

Изобретение относится к технологии получения сахаров. Способ предварительной обработки целлюлозосодержащего сырья для ферментативного гидролиза предусматривает приготовление суспензии сырья и обработку раствором кислоты. В качестве раствора кислоты используют раствор азотной кислоты концентрацией 2,8-6,5%. Нагревают до температуры 98-100°C и выдерживают в течение 1-5 часов. Полученный продукт фильтруют, промывают. Причем в качестве целлюлозосодержащего сырья используют мискантус или плодовые оболочки злаков. Отработанный по завершению одного цикла раствор кислоты укрепляют концентрированной азотной кислотой до концентрации раствора 2,8…6,5% и многократно используют вновь. Отработанный 18-25 циклов раствор нейтрализуют аммиаком с получением раствора нитрата аммония для использования в виде удобрения. Изобретение обеспечивает высокий выход лигноцеллюлозного материала из исходного сырья для последующего ферментативного гидролиза. 1 ил., 5 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано в ферментативно-гидролизном производстве для получения чистых и высококонцентрированных растворов редуцирующих веществ (сахаров, преимущественно глюкозы) с целью последующего приготовления на их основе пищевой глюкозы, сорбита, маннита, либо для дальнейшей переработки сахаров в различные продукты микробиологического синтеза (спирты и их производные в качестве компонентов биотоплива, дрожжи, молочную кислоту), а также для получения этанола.

Целлюлозосодержащее сырье (ЦСС), такое как древесина, трава, с/х и лесные отходы, является перспективным, альтернативным ресурсом энергии, который можно использовать для получения и этанола. Выход этанола из нативного ЦСС относительно низкий в силу природной неподатливости сырья, обусловленной прочностью природной матрицы, а также наличием лигнина, гемицеллюлоз, кристалличностью целлюлозы и другими факторами. Предобработка ЦСС необходима для преодоления этой неподатливости.

В качестве примера предварительной обработки нехимическим способом известен способ по патенту РФ №2405838 (опубл. 10.12.2010, бюл. №34), заключающийся в подготовке сырья грубым и последующим тонклм помолом с дальнейшей обработкой ферментативным препаратом (культуральной жидкостью, полученной культивированием штаммом ВКМ F-3972D). Несмотря на довольно высокий выход сахаров, тонкие помолы грубых видов растительного сырья являются энергетически затратными, оборудование для помола в промышленных масштабах (тонны опилок древесины) является дорогим и требует специального обслуживания.

Известен способ получения глюкозы из ЦСС по патенту РФ №2223327 (опубл. 10.02.2004 бюл.), предусматривающий предварительную обработку сырья для разрушения кристаллической структуры путем экструзии, в качестве ЦСС используют ячменную или рисовую дробину, хлопковый линт и гуза-паю. Следует отметить, что ячменная и рисовая дробина является крахмалсодержащим, а не целлюлозосодержащим сырьем и не имеет кристаллической структуры, кроме того, экструзия аморфного, но не кристаллического материала может быть осуществлена на любом оборудовании. Поэтому вызывает сомнение возможность экструдирования хлопкового линта с содержанием целлюлозы до 80% с кристалличностью целлюлозы 80% в виду высокой химической и физической стойкости данного вида сырья к процессам сдавливания, разрыва, смещения, следовательно, трудно объяснить столь высокий выход сахаров при ферментации кристаллического субстрата.

Цель предобработки - изменить физические особенности и компонентный состав ЦСС таким образом, чтобы целлюлоза была более доступна биокатализаторам - ферментативным препаратам - и успешно гидролизована с образованием редуцирующих веществ (сахаров). За последнее время разработаны различные технологии химической предобработки для снижения неподатливости и повышения выхода сахаров. Большое значение придается исследованиям изменения структуры ЦСС, главным образом, в гидролизуемых компонентах - целлюлозе и гемицеллюлозах. Среди разнообразных технологий предобработки, разработанных за последние два десятка лет [Pretreatment and lignocellulosic chemistry // Bioenerg. Res. - 2012. - 5. - P.1043-1066], основными химическими методами являются обработка разбавленной кислотой, гидротермическая предобработка и щелочная предобработка.

В отличие от двух последних предобработка разбавленной кислотой имеет ряд преимуществ: обеспечивает гидролиз химических связей между целлюлозой, гемицеллюлозами и лигнином, способствует удалению гемицеллюлоз, обеспечивающему высокую пористость субстрата, успешно «работает» на широком ассортименте растительного сырья: от древесины до травянистых культур.

Из уровня техники известен способ по а.с. №1134565 (опубл. 15.01.85, бюл. №2), включающий кислотную обработку целлюлозы с последующим ферментативным гидролизом. Обработку целлюлозы проводят смесью концентрированной фосфорной и серной кислот при температуре 30-50°C в течение 1,5-4,5 ч. Данный способ реализуем только в лабораторных условиях, поскольку использование концентрированных кислот препятствует промышленной реализации.

Известен способ (а.с. №1652353, опубл. 30.05.91, бюл. №20), включающий обработку кислотой ЦСС при определенном температурном режиме 140-160°C. Однако выход гексоз по данному способу составляет всего 34-49% от абсолютно сухого сырья (а.с.с.) Данный способ характеризуется повышенной сложностью, заключающейся в использовании активного кислорода для оксигидролиза, т.к. отсутствуют промышленные установки генерации активного кислорода; в необходимости специального оборудования для проведения процессов в условиях высокого давления и температуры (коррозия металла при одновременном действии кислоты и кислорода); в пожароопасности процесса в связи с использованием 60%-ного раствора этилового спирта.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является а.с. №1504249 (опубл. 30.08.89, бюл. №32), способ предварительной обработки ЦСС для ферментативного гидролиза, включающий приготовление суспензии сырья и обработку раствором кислоты.

К недостаткам описанного технического решения относится, во-первых, использование в процессе уксусной кислоты, которая является, по сути, ингибитором брожения - стадии непосредственного получения этанола; во-вторых, применение специфического оборудования с постоянным электрическим током для непосредственной обработки суспензии сырья в водной среде, что исключает возможность проведения процесса на любой емкостной опытно-промышленной установке при атмосферном давлении; в третьих, использование в качестве сырья бумажной пыли - специфичного вида ЦСС с ограниченной применимостью. Несмотря на то что бумажная пыль представляет собой сырье с содержанием целлюлозы 95% (чистая целлюлоза), действия постоянного тока в среде уксусной кислоты недостаточно для успешного гидролиза, для реализации успешной ферментации необходимо дополнительное применение перекиси водорода и серной кислоты. Повышенная степень гидролиза мелко резаной соломы (пример 7) в отличие от бумажной пыли обусловлена наличием гемицеллюлоз, отсутствующих в бумажной пыли. Несмотря на столь сложную обработку сырья, степень гидролизуемости возрастает всего лишь на 12-20%, кроме того, в процессе образуются вредные вещества, для утилизации которых требуются дополнительные затраты и оборудование.

Задачей предлагаемого технического решения является повышенный выход редуцирующих веществ (сахаров), упрощение процесса предварительной обработки ЦСС к ферментативному гидролизу, применение способа в промышленных объемах с минимизацией побочных продуктов производства при расширении и быстровозобновляемости сырьевой базы.

Поставленная задача решается предлагаемым способом предварительной обработки ЦСС для ферментативного гидролиза, включающим приготовление суспензии сырья и обработку раствором кислоты, при этом в качестве раствора кислоты используют раствор азотной кислоты концентрацией 2,8-6,5%, производят нагрев до Т=98-100°C, осуществляют выдержку в течение 1-5 часов, полученный продукт фильтруют, промывают, а в качестве целлюлозосодержащего сырья используют мискантус или плодовые оболочки злаков; отработанный по завершению одного цикла раствор кислоты укрепляют концентрированной азотной кислотой до концентрации раствора 2,8-6,5% и многократно используют вновь, отработанный 18-25 циклов раствор нейтрализуют аммиаком с получением раствора нитрата аммония, который используют в виде удобрения.

От прототипа предлагаемое техническое решение отличается тем, что в качестве раствора кислоты используется раствор азотной кислоты концентрацией 2,8-6,5%, производят нагрев до Т=98-100°C, осуществляют выдержку в течение 1-5 часов, полученный продукт фильтруют, промывают, а в качестве целлюлозосодержащего сырья используют мискантус или плодовые оболочки злаков; отработанный по завершению одного цикла раствор кислоты укрепляют концентрированной азотной кислотой до концентрации раствора 2,8-6,5% и многократно используют вновь, отработанный 18-25 циклов раствор нейтрализуют аммиаком с получением раствора нитрата аммония, который используют в виде удобрения.

В качестве раствора кислоты предлагается использовать раствор азотной кислоты, в таблице 1 приведены сравнительные характеристики образцов лигноцеллюлозного материала (ЛЦМ), полученных из плодовых оболочек овса (ПОО) и мискантуса обработкой растворами азотной и серной кислот отдельно.

Зависимость концентрации РВ от продолжительности ферментативного гидролиза образцов ЛЦМ, полученных обработкой растворами азотной (а.к.) и серной кислот (с.к.) ПОО и М, приведены на рисунке 1.

Результаты оценки реакционной способности к ферментативному гидролизу продуктов, полученных обработкой растворами азотной и серной кислот (рисунок и таблица 1), показывают наибольшие скорость гидролиза в течение всего процесса и реакционную способность у образцов ЛЦМ (а.к.): концентрация редуцирующих веществ в первые 16 ч ферментации для ЛЦМ ПОО (а.к.) - 20 г/л; ЛЦМ М (а.к.) - 23 г/л; для ЛЦМ ПОО (с.к.) - 14 г/л; для ЛЦМ М (с.к.) - 17 г/л; через 72 ч ферментации для ЛЦМ ПОО (а.к.) - 28 г/л; ЛЦМ М (а.к.) - 30 г/л; для ЛЦМ ПОО (с.к.) - 22 г/л; для ЛЦМ М (с.к.) - 23 г/л.

Это можно объяснить более позитивным действием азотной кислоты в сравнении с серной, заключающимся в окислительном нитровании негидролизуемого лигнина с удалением данного компонента сырья из субстрата (таблица 1, ЛЦМ ПОО 14-15% против 18-19%, М 8-9% против 15-17%), что способствует ферментативному гидролизу субстратов, полученных обработкой именно азотной кислотой: концентрация РВ ЛЦМ ПОО (а.к.) 28 г/л против 22 г/л, ЛЦМ М (а.к.) - 30 г/л против 23 г/л.

Преимущество выбранного интервала концентрации азотной кислоты приведено в таблице 2, где приводятся характеристики ЛЦМ, полученные обработкой растворами азотной кислоты в зависимости от концентрации раствора.

Таблица 2
Концентрация HNO3, % Выход, % М.д. лигнина, % М.д. α-целлюлозы, % М.д. пентозанов, %
Плодовые оболочки овса
3,0 70-75 28-30 55-65 25-30
4,0 50-56 14-15 70-75 8-9
5,0 50-52 14-15 70-75 8-9
6,0 43-49 14-15 70-75 7-8
7,0 40-43 14-15 70-75 7-8
Мискантус
3,0 78-83 24-26 65-70 18-22
4,0 60-62 8-9 75-80 4-5
5,0 58-60 8-9 75-80 4-5
6,0 54-56 8-9 75-80 3-4
7,0 50-54 8-9 75-80 3-4

Как следует из результатов таблицы 2, при уменьшении концентрации кислоты с 4% до 3% окислительный гидролиз растительного сырья (ПОО и М) не обеспечивает необходимого удаления из продукта обработки нецеллюлозных компонентов (лигнина, пентозанов), в частности, ЛЦМ ПОО характеризуется неудовлетворительными характеристиками м.д. лигнина 28-30% против 14-15% и м.д. пентозанов 25-30% против 8-9%, ЛЦМ М - м.д. лигнина 24-26% против 8-9% и м.д. пентозанов 18-22% против 4-5% соответственно.

Увеличение концентрации кислоты с 6% и более обеспечивает необходимые характеристики продукта обработки сырья, но сопровождается снижением выхода целевого продукта на примере ПОО с 50-52% до 43-49%, в случае М с 58-60% до 54-56%. Это связано с частичным кислотным гидролизом и потерей целевой целлюлозы, кроме того, могут образовываться токсичные для биоконверсии вещества: оксиметилфурфурол, фурфурол и его производные, а также производные конденсации низкомолекулярных фрагментов лигнина и пентозанов, следовательно, повышение концентрации кислоты приводит к процессам, негативно сказывающимся на дальнейшем использовании целевых ЛЦМ в ферментативном гидролизе.

Обработка сырья 4-6% растворами азотной кислоты при температуре 98-100°C, приближающейся к температуре кипения при нормальном давлении, обеспечивает нитрацию лигнина и его окисление азотной кислотой, а также удаление части гемицеллюлоз за счет гидролиза. Понижение температуры обработки сырья с 98°C до 90°C и ниже не обеспечивает образование окислов азота, способствующих окислительному нитрованию лигнина - основного нецеллюлозного компонента сырья и гидролизу пентозанов. В результате обработка кислотой сырья при температуре ниже 98°C обеспечивает неудовлетворительные характеристики образцов ЛЦМ, а именно в случае ПОО значение м.д. лигнина высокое 21-30% против 14-15%, в случае М - м.д. лигнина 14-25% против 8-9%.

В таблице 3 приведены характеристики ЛЦМ, полученные обработкой 4%-ным раствором азотной кислоты в зависимости от температуры процесса продолжительностью 4 ч.

Таблица 3
Температура, °С Выход, % М.д. лигнина, % М.д. α-целлюлозы, % М.д. пентозанов, %
Плодовые оболочки овса
77 75-80 28-30 52-65 20-25
80 75-80 28-30 52-65 20-25
90 70-75 21-25 60-65 15-20
98 50-56 14-15 70-75 8-9
100 50-56 14-15 70-75 8-9
Мискантус
77 [85-87 21-25 58-71 21-25
80 85-87 21-25 58-71 21-25
90 72-77 14-18 65-70 14-19
98 60-62 8-9 75-80 4-5
100 60-62 8-9 75-80 4-5

Следует отметить, что при проведении процесса при более низкой температуре (ниже 98°C) более продолжительное время, чем 4 ч, не приводит к требуемым характеристикам продуктов обработки кислотой, это связано с отсутствием окислов азота, обеспечивающих нитрование и окисление лигнина - основного нецеллюлозного компонента сырья, следовательно, указанная температура (98-100°C) является основным параметром успешной обработки сырья кислотой.

Повышение температуры выше 100°C требует особого оборудования для проведения процессов под давлением.

Продолжительность (выдержка) обработки сырья азотной кислотой в течение 2-5 ч необходима для всех массообменных процессов, сопровождающихся активным выделением жидких и газообразных продуктов кислотного гидролиза и окислительного нитрования в гетерофазной среде. Минимальное время обработки - 2 ч, обеспечивающее необходимую степень превращения растительного сырья в ЛЦМ - субстрат для успешного ферментативного гидролиза.

Таблица 4
Выдержка, ч Выход, % М.д. лигнина, % М.д. α-целлюлозы, % М.д. пентозанов, %
Плодовые оболочки овса
1 75-80 28-30 52-65 20-25
2 50-56 14-15 70-75 8-9
3 50-56 14-15 70-75 8-9
4 50-56 14-15 70-75 8-9
5 50-56 14-15 70-75 8-9
6 40-43 14-15 70-75 7-8
7 37-40 14-15 70-75 7-8
Мискантус
1 85-87 21-25 58-71 21-25
2 60-62 8-9 75-80 4-5
3 60-62 8-9 75-80 4-5
4 60-62 8-9 75-80 4-5
5 60-62 8-9 75-80 4-5
6 48-52 8-9 75-80 3-4
7 46-50 8-9 75-80 3-4

Увеличение времени обработки более 5 ч приводит к нежелаемому снижению выхода целевого продукта ЛЦМ, поэтому не рекомендовано продолжать процесс более 5 ч.

В таблице 4 приведены характеристики ЛЦМ, полученные обработкой 4%-ным раствором азотной кислоты при температуре процесса 98-100°C, в зависимости от продолжительности.

После обработки сырья раствором азотной кислоты суспензию ЛЦМ фильтруют на вакуум-воронке, застеленной фильтрующей тканью (полипропиленовое полотно), отжимают, промывают водой до нейтральной реакции и направляют на ферментативный гидролиз во влажном состоянии (влажность 70-77%).

В качестве целлюлозосодержащего сырья в предлагаемом способе используется мискантус - род многолетних травянистых растений семейства злаков. В настоящее время за рубежом активно ведутся исследования по переработке различных видов мискантуса (М.): в основном, М. гигантского {Miscanthus giganteus), М. китайского {Miscanthus sinensis) и М. сахароцветкового {Miscanthus sacchariflorus), который является технической культурой, и отводить под его плантации плодородные пахотные земли нет необходимости. Нетребовательность к почвам - его безусловное преимущество.

В России в Институте цитологии и генетики СО РАН выведена авторская форма М. китайского (веерника китайского Miscanthus sinensis Andersson) с измененной структурой корневой системы, образующей длинные побеги с ростовыми почками и быстро колонизирующей почвенное пространство, создавая сплошную и ровную (без кочек) плантацию мискантуса. Данный сорт мискантуса получил название СОРАНОВСКИЙ, данная техническая культура рекомендована для выращивания в России в областях рискованного земледелия, поскольку является жароустойчивым, морозоустойчивыми неприхотливым растением. Это многолетний злак, который, начиная с третьего года культивирования, может ежегодно, на протяжении 15 лет, продуцировать на одном поле 10-15 т/га сухой биомассы, что соответствует 4-6 т/га чистой целлюлозы высокого качества. После 15 лет вегетация плантации прекращается, и закладывается новая. Расчет сделан, исходя из минимальной продуктивности мискантуса в условиях Западной Сибири (10 т/га/год), начиная с третьего года существования плантации. Продуктивность плантации второго года принята 5 т/га/год.

Таким образом, за 15 лет продуктивность плантации мискантуса составит 185 т с га, накопление биомассы лиственных пород за этот же период составляет 54-68 т с га. Мискантус признан лидером по производству биомассы и может заменить древесину как источник целлюлозы во многих областях промышленности, включая производство биотоплива второго поколения. Результаты определения химического состава подтверждают содержание целлюлозы в пределах 44%, лигнина 20%, гемицеллюлозы 20%.

Около 1/20 общей продуктивности биосферы составляют продукты сельскохозяйственного производства, которые ежегодно дают 8,7 млрд т органического вещества. В настоящее время особую группу возобновляемого сырья составляют так называемые «концентрированные» отходы сельхозпереработки (солома и плодовые оболочки злаковых культур). Годовой сбор соломы может составлять 3-5 т/га на очень больших площадях под зерновыми культурами. Этот урожай эквивалентен по сухому веществу годовому приросту деловой древесины в естественных лесах. Относительная легкость химической переработки и исключительно низкая стоимость сырья позволили включить солому злаковых культур и природный тростник в современный перечень перспективного волокносодержащего сырья.

Плодовые оболочки (шелуха, лузга) овса составляют 28% от массы зерна и при низкой удельной плотности 0,2 т/м3 и отсутствии схемы их утилизации являются нерешенной проблемой для зерноперерабатывающих заводов со средней производительностью 1400 т овса в месяц. В то же время в связи с высоким содержанием целлюлозы (до 35%) ПОО можно рассматривать как концентрированный вид недревесных целлюлозосодержащих отходов, потенциальный источник целлюлозы.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. 10 кг ПОО с влажностью 5% сгружают в аппарат объемом 250 л, заливают 180 л 4%-ного раствора азотной кислоты, включают перемешивание и нагрев рубашки аппарата, подключают обратный холодильник над аппаратом для конденсации паров воды и азотной кислоты. Нагревают содержимое аппарата до 98°C, выдерживают в течение 4 ч при постоянном перемешивании, охлаждают содержимое аппарата до 40°C. Суспензию ЛЦМ фильтруют на вакуум-воронке, отжимают, промывают водой до нейтральной реакции и направляют на ферментативный гидролиз во влажном состоянии (влажность 70-77%). Выход ЛЦМ абсолютно сухого от абсолютно сухого сырья составил 54%. Характеристики ЛЦМ: м.д. лигнина 14%, м.д. α-целлюлозы 75%, м.д. пентозанов 9%.

Отработанный по завершению одного цикла обработки порции сырья раствор кислоты укрепляют концентрированной азотной кислотой до концентрации раствора 4% и используют вновь для обработки свежей порции сырья. Таким образом, 4%-ный раствор азотной кислоты может быть использован многократно. В финале (20-25 циклов) отработанный раствор нейтрализуют аммиаком до нейтральной реакции и получают раствор нитрата аммония - классического широко распространенного удобрения. Данный раствор может быть использован в качестве жидкого комплексного (лигногуминового и минерального) удобрения для выращивания культурных растений.

Пример 2. 10 кг мискантуса с влажностью 6% сгружают в аппарат объемом 250 л, заливают 180 л 4%-ного раствора азотной кислоты, включают перемешивание и нагрев рубашки аппарата, подключают обратный холодильник над аппаратом для конденсации паров воды и азотной кислоты. Нагревают содержимое аппарата до 98°C, выдерживают в течение 4 ч при постоянном перемешивании, охлаждают содержимое аппарата до 40°C. Суспензию ЛЦМ фильтруют на вакуум-воронке, отжимают, промывают водой до нейтральной реакции и направляют на ферментативный гидролиз во влажном состоянии (влажность 70-77%). Выход ЛЦМ абсолютно сухого от абсолютно сухого сырья составил 62%. Характеристики ЛЦМ: м.д. лигнина 9%, м.д. α-целлюлозы 80%, м.д. пентозанов 5%.

Отработанный по завершению одного цикла обработки порции сырья раствор кислоты укрепляют концентрированной азотной кислотой до концентрации раствора 4% и используют вновь для обработки свежей порции сырья. Таким образом, 4%-ный раствор азотной кислоты может быть использован многократно. В финале (20-25 циклов) отработанный раствор нейтрализуют аммиаком до нейтральной реакции и получают раствор нитрата аммония.

Пример 3. 10 кг мискантуса с влажностью 6% сгружают в аппарат объемом 250 л, заливают 180 л 5%-ного раствора азотной кислоты, включают перемешивание и нагрев рубашки аппарата, подключают обратный холодильник над аппаратом для конденсации паров воды и азотной кислоты. Нагревают содержимое аппарата до 99°C, выдерживают в течение 5 ч при постоянном перемешивании, охлаждают содержимое аппарата до 40°C. Суспензию ЛЦМ фильтруют на вакуум-воронке, отжимают, промывают водой до нейтральной реакции и направляют на ферментативный гидролиз во влажном состоянии (влажность 70-77%). Выход ЛЦМ абсолютно сухого от абсолютно сухого сырья составил 60%. Характеристики ЛЦМ: м.д. лигнина 8%, м.д. α-целлюлозы 78%, м.д. пентозанов 5%.

Отработанный по завершению одного цикла обработки порции сырья раствор кислоты укрепляют концентрированной азотной кислотой до концентрации раствора 5% и используют вновь для обработки свежей порции сырья. Таким образом, 5%-ный раствор азотной кислоты может быть использован многократно. В финале (18-23 циклов) отработанный раствор нейтрализуют аммиаком до нейтральной реакции и получают раствор нитрата аммония.

Ферментативный гидролиз осуществляют коммерчески доступными ферментными препаратами. Результаты ферментации субстратов - ЦСС (ПОО и М) и полученных из него обработкой раствором азотной кислоты образцов ЛЦМ - представлены в таблице 5.

Таблица 5
Субстрат Выход редуцирующих веществ, %
на массу субстрата на гидролизуемые компоненты
ПОО без обработки 12 15
ЛЦМ ПОО 77 92
М без обработки 11 14
ЛЦММ 81 95

Как видно из результатов таблицы 5, реакционная способность сырья в процессе обработки раствором азотной кислоты возрастает для ПОО в 6,4 раза, для М - в 7,4 (на массу субстрата), для ПОО - в 6,1 раза, для М - в 6,8 раза (на гидролизуемые компоненты).

Предлагаемый способ предварительной обработки целлюлозосодержащего сырья (плодовых оболочек овса и мискантуса) для ферментативного гидролиза при многократном использовании раствора азотной кислоты с получением субстратов и жидкого удобрения практически реализован на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН. Способ реализован на имеющемся стандартном оборудовании. Необходимость в применении предлагаемого способа предварительной обработки ЦСС очевидна.

Способ предварительной обработки целлюлозосодержащего сырья для ферментативного гидролиза, включающий приготовление суспензии сырья и обработку раствором кислоты, отличающийся тем, что в качестве раствора кислоты используют раствор азотной кислоты концентрацией 2,8…6,5%, производят нагрев до Т=98…100°C, осуществляют выдержку в течение 1…5 часов, полученный продукт фильтруют, промывают, а в качестве целлюлозосодержащего сырья используют мискантус или плодовые оболочки злаков; отработанный по завершению одного цикла раствор кислоты укрепляют концентрированной азотной кислотой до концентрации раствора 2,8…6,5% и многократно используют вновь, отработанный 18-25 циклов раствор нейтрализуют аммиаком с получением раствора нитрата аммония, который используют в виде удобрения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области биохимии и биотехнологии. Проводят дробление, просеивание лигноцеллюлозного материала и отбор гранул с размером частиц от 0,08-0,1 мм.

Изобретение относится к химии сахаров. Способ включает стадию гидролиза целлюлозосодержащей биомассы с получением водного сахарного раствора.

Изобретение относится к биотехнологии и позволяет получать из лигноцеллюлозных материалов растворимые углеводы в мономерной форме. Способ включает предобработку лигноцеллюлозного сырья с содержанием лигнина 3-35% и механическую активацию в мехактиваторах планетарного, роликового, вибрационного или виброцентробежного типа.

Изобретение относится к получению сахарных спиртов. Способ предусматривает растворение полисахаридов в расплаве гидрата минеральной соли.

Изобретение относится к способу предварительной обработки для осахаривания растительного волокнистого материала в процессе осахаривания растительного волокнистого материала, который образует моносахарид за счет гидролиза растительного волокнистого материала, и к способу осахаривания.

Изобретение относится к области биотехнологии. .

Изобретение относится к способу получения сахарида, в основном глюкозы, путем осахаривания растительных волокнистых материалов. .

Изобретение относится к области спиртовой промышленности, а именно к способу получения гидролизатов из топинамбура для производства биоэтанола. Способ получения сахаросодержащих гидролизатов из топинамбура предусматривает промывку сырья, его измельчение и гидролиз. Гидролиз проводят в среде ацетатного буфера при рН 4,5-5,0 по действием собственных инулиназ топинамбура совместно с препаратами целловиридин Г20х и пектофоетидин Г20х, взятыми в соотношении 1:1. Изобретение позволяет увеличить степень гидролиза биомассы топинамбура и выход сахаров в сусле после гидролиза для производства биотоплива. 1 табл., 2 пр., 1 ил.

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ гидролиза лигноцеллюлозной биомассы. На стадии (А) приводят в контакт лигноцеллюлозное сырье, включающее в себя биомассу, содержащую сухие вещества и воду, по меньшей мере с частью растворителя, содержащей водорастворимые гидролизованные вещества продукта гидролиза, полученные в результате ферментативного гидролиза сырья на стадии (B). Причем отношение массы растворителя к массе сырья превышает 0,8:1. На стадии (B) осуществляют контакт сырья из сырьевого потока с растворителем в присутствии каталитической композиции, содержащей по меньшей мере один фермент или микроорганизм, который превращает по меньшей мере одно из соединений биомассы в соединение(-я) с более низкой молекулярной массой. Температуру на стадии (B) поддерживают в диапазоне от 20ºC до 200ºC в течение периода времени, достаточного для получения продукта гидролиза биомассы. Изобретение позволяет ускорить процесс гидролиза лигноцеллюлозной биомассы, использовать сырье с содержанием сухих веществ от 15 до 80% и проводить процесс без добавления органических кислот при атмосферном давлении. 40 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл., 8 пр.

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ обработки лигноцеллюлозной биомассы. Осуществляют пропитывание подаваемой лигноцеллюлозной биомассы водяным паром или водой или их смесью в температурном диапазоне от 100 до 210ºС в течение от 1 минуты до 24 часов для получения пропитанной биомассы, содержащей сухое содержимое и первую жидкость. Далее сепарируют по меньшей мере часть первой жидкости из пропитанной биомассы для образования потока первой жидкости и потока первой твердой фракции. При этом поток первой твердой фракции содержит пропитанную биомассу. Далее обрабатывают паром поток первой твердой фракции для получения обработанного паром потока. Способ позволяет при высокой степени жесткости паровой обработки получать продукт с низким содержанием фурфурола. 21 з.п. ф-лы, 9 ил., 30 табл., 6 пр.

Изобретение относится к способу изготовления сахарного раствора и устройству для осуществления способа. Способ предусматривает добавление карбогидразы к целлюлозе для осуществления первичного гидролиза, разделение твердых и жидких фаз первичного гидролизата для получения первичного сахарного раствора, стадию добавления воды к твёрдым веществам, осуществление вторичного гидролиза, разделение твердых и жидких фаз вторичного гидролизата для получения сахарного раствора и остатка, фильтрование первичного и вторичного сахарного раствора через ультрафильтрационную мембрану, причем время реакции первичного гидролиза составляет от 2 до 200 часов, концентрация твердых веществ перед вторичным гидролизом составляет от 1 мас.% до 20 мас.%, а время реакции вторичного гидролиза составляет от 5 до 180 минут. Устройство для осуществления способа изготовления сахарного раствора содержит бак с мешалкой для первичного гидролиза, первое устройство разделения твёрдой и жидкой фаз первичного гидролизата, бак вторичного гидролизата или пресс-фильтр для вторичного гидролиза, второе устройство разделения твердой и жидкой фаз вторичного гидролизата и устройство с ультрафильтрационной мембраной. Изобретение позволяет увеличить выход сахара и количество извлеченного фермента. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 16 ил., 29 табл., 21 пр.

Изобретение относится к способу получения жидкого сахара и к устройству для осуществления способа. Способ предусматривает стадию (1) добавления целлюлазы, выделенной из нитчатого гриба, принадлежащего роду Trichoderma, к целлюлозе для осуществления первичного гидролиза, (2)стадию добавления свежей выделенной из нитчатого гриба целлюлазы к гидролизату со стадии (1) для осуществления вторичного гидролиза и стадию (3), на которой гидролизат со стадии (2) подвергают разделению твердого вещества и жидкости, получая жидкий сахар, из которого получают регенерированный фермент, при этом регенерированный фермент, получаемый на стадии (3), используют на стадии (1) следующего и дальнейших процессов получения жидкого сахара, причём способ предусматривает повторение стадий (1)-(3) два или более раза. Устройство для осуществления способа получения жидкого сахара содержит в качестве составляющих резервуар для гидролиза, с которым соединены труба для подачи регенерированного фермента и труба для подачи свежего фермента, устройство для разделения твёрдого вещества и жидкости гидролизата, резервуар для жидкого сахара, имеющий трубу подачи воды, устройство с ультрафильтрационной мембраной. Изобретение направлено на достижение более высокого эффекта уменьшения количества фермента в способе получения жидкого сахара из целлюлозы. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 11 ил., 6 табл., 5 пр.

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложены способ обработки лигноцеллюлозного материала, способ разжижения лигноцеллюлозного материала и система разжижения лигноцеллюлозного материала. Способ обработки включает проведение реакции парового разрыва лигноцеллюлозного материала с получением суспензии, добавление материала на основе щелочи к суспензии, добавление ферментного раствора к суспензии, перемешивание суспензии с добавлением ферментного раствора, проведение ферментативного гидролиза суспензии. Способ разжижения лигноцеллюлозного материала включает проведение реакции парового разрыва лигноцеллюлозного материала с получением суспензии, перемешивание суспензии с материалом на основе щелочи, впрыскивание ферментов ферментного раствора на суспензию, перемешивание суспензии с добавлением ферментного раствора. Система разжижения лигноцеллюлозного материала включает реактор парового разрыва, первый шнековый транспортер, второй шнековый транспортер, смеситель в жидкостном соединении с выходом из второго шнекового транспортера, верхнюю часть реактора для преобразования вязкости материала. Изобретения обеспечивают увеличение скорости процесса разжижения лигноцеллюлозного материала. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к пищевой промышленности. Предложен способ производства сахарного раствора, включающий стадию фильтрации происходящего из целлюлозы сахарного раствора через одну или более разделительных мембран, выбранных из группы, состоящей из ультрафильтрационных мембран, нанофильтрационных мембран и обратноосмотических мембран. При этом, после стадии фильтрации, способ дополнительно включает стадию промывания разделительной мембраны или мембран промывочной жидкостью при температуре, составляющей не менее 50°C. Линейная скорость указанной промывочной жидкости на поверхности мембраны составляет от 5 до 50 см/с. Способ обеспечивает эффективное отделение примесей при производстве сахарного раствора. 6 з.п. ф-лы, 5 ил., 7 табл., 7 пр.
Наверх