СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ДЛЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА

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.

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.

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.

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.

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.