Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА

Изобретение относится к биохимической промышленности и может быть использовано при производстве этилового спирта технического назначения из лигноцеллюлозного сырья.

Известен способ получения этилового спирта из крахмалсодержащего сырья, предусматривающий измельчение крахмалосодержащего сырья, приготовление его водной суспензии, ее тепловую обработку, осахаривание. После чего полученное сусло охлаждают, сбраживают и перегоняют. Водную суспензию измельченного сырья подвергают диспергированию при 60-65°С в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и вращающимся ротором при значениях градиента скорости от 3,5×10³ м/с·м до 4,5×10⁵ м/с·м.

Последующую тепловую обработку полученной массы ведут при 80-90°С в течение 20-30 мин (RU 2138555, МПК С12Р 7/06, опубл. 27.09.1999).

Недостатками известного способа являются использование дорогого пищевого сырья и высокая ресурсоемкость.

Известен способ получения этилового спирта, согласно которому растительное сырье подвергают двухстадийному гидролизу с раздельным отбором гексозной и пентозной фракций, осуществляют подготовку сусла, гексозную часть направляют на сбраживание, пентозную ферментируют в присутствии штамма дрожжей, взятого из ряда Pachysolen tannophilus ВКПМ У-1532, Р.tannophilus ВКПМ У-1634, Candida tropicalis ВКПМ У-1633, Candida shenatal ВКПМ У-1633, Candida shehatal ВКПМ У-1632, при Т=30-32°С, рH=4,3-4,5, перемешиванию и аэрации, культуральную жидкость соединяют с бражкой, полученной из гексозной части, и направляют на перегонку и ректификацию (RU 2095415, С12Р 7/06, опубл. 10.11.1997).

К недостаткам известной технологии можно отнести большую материалоемкость, использование в технологии большого количества оборотной воды и получение сильно разбавленного сусла, низкую экологичность производства (работа с концентрированными минеральными кислотами), технологическую сложность производства, связанную с необходимостью разделения технологических потоков по основному сбраживаемому компоненту, и совмещенное использование сложнокультивируемых штаммов микроорганизмов.

Известен способ подготовки сахаров сырья к ферментации, проводится гидролиз трудногидролизуемого древесного сырья концентрированной серной кислотой при нагреве до 120-200°С в условиях повышенного давления до моносахаридов и фурфурола (RU 2041219, C07D 307/50, опубл. 09.08.1995).

Недостатками известного способа являются высокая ресурсо- и энергоемкость, выделение токсичных продуктов.

Известен способ с последовательным гидролизом разбавленными кислотами и щелочами и гидролизом глюкозы фтористым водородом с делигнизацией хлором или насыщенным кислородом (RU 2158763, С12Р 7/06, опубл. 10.11.2000).

Недостатки известного способа заключаются в образовании токсичных веществ и использовании большого количества минеральных компонентов, которые требуют отделения на абсорбционных смолах.

Известен способ подготовки растительного сырья путем ферментативного гидролиза высокоспецифичными ферментами (RU 2458128, МПК C12N 9/42, опубл. 10.08.2012).

Недостатком известного способа является удорожание производства из-за необходимости точного подбора соотношения моноферментов в зависимости от видов сырья (в частности - степени лигнифинированности сырья и природы полисахаридов).

Известен способ получения продукта, содержащего воспламеняющееся топливо, из сырья биомассы, включающий:

(a) предварительную обработку сырья биомассы, имеющего объемный вес менее примерно 0,5 г/см³, с использованием одного или более методов предварительной обработки, выбранных из группы, состоящей из облучения, ультразвуковой обработки, пиролиза и окисления, и где предварительная обработка включает облучение электронным пучком, и

(b) превращение сырья биомассы, подвергнутой предварительной обработке, с использованием микроорганизма для получения продукта, содержащего воспламеняющееся топливо, спирта из низкомолекулярных сахаров, заключающийся в комплексной обработке лигноцеллюлозного сырья комплексом биологических и физических факторов, приводящей к его гидролизу (RU 2432400 С2, опубл. 27.10.2011).

К недостаткам технологии можно отнести большую материалоемкость, использование различных методов физической обработки в широких диапазонах интенсивностей без обоснования влияния, оказываемого на конкретный вид сырья, низкую экологичность производства (работа с концентрированными минеральными кислотами), технологическую сложность производства, связанную с использованием комплекса факторов и использование сложнокультивируемых штаммов микроорганизмов.

Технический результат заключается в снижении ресурсо- и материалоемкости технологии за счет отказа от обработки концентрированными минеральными кислотами, использования статичного соотношения между гидролизуемой древесиной и 0,5%-ным раствором H₂SO₄, а также энергетических затрат за счет более тонкого измельчения сырья, исключения стадии физико-химической делигнификации сырья, проведения ферментативного гидролиза при более низкой температуре. Кроме того, увеличивается выход спирта с единицы сырья за счет более полного использования полисахаридов растительного сырья.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения спирта, предусматривающем дробление сырья, получение замеса, внесение в него ферментов, осахаривание, сбраживание и выделение спирта из бражки брагоректификацией, измельчение лигноцеллюлозного сырья проводят в две стадии, на первой - до размеров частиц не более 20×20×5 мм, на второй - до размера частиц не более 50 мкм, смешивают измельченное лигноцеллюлозное сырье с 0,5%-ным раствором H₂SO₄, в соотношении 1:6,8÷1:7,2 с последующей обработкой полученного замеса ультразвуком мощностью излучателя от 1,2 до 1,7 кВт, частотой механического резонанса от 20 до 24 кГц, скоростью циркуляции до 10 л/мин в течение 5-10 минут. В полученном замесе рН доводят до 4,5-4,6, используя 1 н. H₂SO₄ или 1 н. NaOH, добавляют мезофильные ферментные препараты, содержащие целлюлазу в количестве 1,8 ед., β-глюканазу 2,5 ед., ксиланазу 1,9 ед., целлобиазу 4 ед. на 1 г сырья, проводят термостатирование замеса при температуре 45-55°С в течение 60 мин при перемешивании и затем охлаждают до 30-32°С, вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae раса Angel или Ethanol Red в количестве 10¹⁰-10¹² клеток на 1 мл сусла и проводят сбраживание при температуре 28-30°С в течение 60-66 часов.

Двухстадийность метода предварительного измельчения сырья позволяет снизить энергозатраты и сократить продолжительность второй стадии диспергирования. Такое тонкое измельчение позволяет исключить применение жестких методов предобработки, например, таких как гидролиз с использованием концентрированных кислот или щелочей.

Повышение мощности ультразвукового излучения свыше 1,7 кВт нецелесообразно, поскольку приведет к незначительному возрастанию эффективности последующего гидролиза. Частота механического резонанса оптимальна для сырья с указанной степенью помола.

В охлажденную массу вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae раса Angel или Ethanol Red. Возможно использование других рас дрожжей при условии потребления ими широкого спектра простых сахаров и устойчивости к смолам и лигнину.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. Берут лигноцеллюлозное сырье влажностью 10-12%. Измельчение на первой стадии производят до размеров частиц не более 20×20×5 мм. Вторая стадия - измельчение до размера частиц не более 50 мкм. Для получения замеса берут измельченное лигноцеллюлозное сырье, смешивают с 0,5%-ным раствором H₂SO₄ в соотношении 1:6,8÷1:7,2 и механически перемешивают замес до однородной массы. В полученном замесе рН доводят до 4,5-4,6 (используется 1 н. Н₂SO₄ или 1 н. NaOH). Температура в смесителе не выше 50°С. При этой температуре добавляют мезо4)ильные ферментные препараты, содержащие целлюлазу в количестве 1,8 ед., β-глюканазу 2,5 ед., ксиланазу 1,9 ед., целлобиазу 4 ед. на 1 г сырья. Далее проводят термостатирование замеса при температуре 45-55°С и выдержке 60 мин при активном перемешивании. Окончательное высвобождение редуцирующих сахаров должно составлять не менее 2,5 г/100 см³ при высвобождении глюкозы не менее 1,7 г/10 см³. Далее массу охлаждают естественным способом до 30-32°С, вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae расы Angel в количестве 10¹⁰-10¹² дрожжевых клеток на 1 мл сусла и передают на брожение в чаны при температуре 28-30°С на 60-66 часов. Конечное содержание спирта в бражке достигает 1,5-1,6% (объемных) за счет высокой концентрации сбраживаемых сахаров в исходном сусле, а также снижения их потерь при кислотном гидролизе.

Пример 2. Берут лигноцеллюлозное сырье влажностью 10-12%. Измельчение на первой стадии производят до размеров частиц не более 20×20×5 мм. Вторая стадия - измельчение до размера частиц не более 50 мкм. Для получения замеса берут измельченное лигноцеллюлозное сырье, смешивают с 0,5%-ным раствором H₂SO₄ в соотношении 1:6,8÷1:7,2 и механически перемешивают замес до однородной массы. Далее проводят поточную обработку ультразвуком 5-10 мин (мощность излучателя от 1,2 до 1,7 кВт, частота механического резонанса - от 20 до 24 кГц, скорость циркуляции до 10 л/мин) компонентов помола для ускорения получения однородного замеса, уменьшения уровня контаминации замеса и кавитационного воздействия на частицы помола. В полученном замесе рН доводят до 4,5-4,6 (используется 1н. H₂SO₄ или 1н. NaOH). Температура в смесителе не выше 50°С. При этой температуре добавляют мезофильные ферментные препараты, содержащие целлюлазу в количестве 1,8 ед., β-глюканазу 2,5 ед., ксиланазу 1,9 ед., целлобиазу 4 ед. на 1 г сырья. Далее проводят термостатирование замеса при температуре 45-55°С и выдержке 60 мин при активном перемешивании. Окончательное высвобождение редуцирующих сахаров должно составлять не менее 2,5 г/100 см³ при высвобождении глюкозы не менее 1,7 г/10 см. Далее массу охлаждают естественным способом до 30-32°С, вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae расы Angel в количестве 10¹⁰-10¹² дрожжевых клеток на 1 мл сусла и передают на брожение в чаны при температуре 28-30°С на 60-66 часов. Конечное содержание спирта в бражке достигает 1,5-1,8% (объемных) за счет высокой концентрации сбраживаемых сахаров в исходном сусле, а также снижения их потерь при кислотном гидролизе.

Пример 3. Берут лигноцеллюлозное сырье влажностью 10-12%. Измельчение на первой стадии производят до размеров частиц не более 20×20×5 мм. Вторая стадия - измельчение до размера частиц не более 50 мкм. Для получения замеса берут измельченное лигноцеллюлозное сырье, смешивают с 0,5%-ным раствором H₂SO₄ в соотношении 1:6,8÷:1:7,2 и механически перемешивают замес до однородной массы. Далее проводят поточную обработку ультразвуком 5-10 мин (мощность излучателя от 1,2 до 1,7 кВт, частота механического резонанса от 20 до 24 кГц, скорость циркуляции до 10 л/мин) компонентов помола для ускорения получения однородного замеса, уменьшения уровня контаминации замеса и кавитационного воздействия на частицы помола. В полученном замесе рН доводят до 4,5-4,6 (используется 1 н H₂SO₄ или 1 н NaOH). Температура в смесителе не выше 50°С. При этой температуре добавляют мезофильные ферментные препараты, содержащие целлюлазу в количестве 1,8 ед., β-глюканазу 2,5 ед., ксиланазу 1,9 ед., целлобиазу 4 ед. на 1 г сырья. Далее проводят термостатирование замеса при температуре 45-55°С и выдержке 60 мин при активном перемешивании. Окончательное высвобождение редуцирующих сахаров должно составлять не менее 2,5 г/100 см³ при высвобождении глюкозы не менее 1,7 г/10 см³. Далее массу охлаждают естественным способом до 30-32°С, вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae расы Ethanol Red в количестве 10¹⁰-10¹² дрожжевых клеток на 1 мл сусла и передают на брожение в чаны при температуре 28-30°С на 60-66 часов. Конечное содержание спирта в бражке достигает 1,8-1,95% (объемных) за счет высокой концентрации сбраживаемых сахаров в исходном сусле, а также снижения их потерь при кислотном гидролизе.

В табл. 1 приведена сравнительная характеристика процессов при классическом (прототипе) и предлагаемых способов. При этом из таблицы видно, что пример 3 является предпочтительным, так как по сравнению с известным решением предлагаемый способ позволяет снизить ресурсо- и материалоемкость технологии за счет отказа от обработки концентрированными минеральными кислотами, использования статичного соотношения между гидролизуемой древесиной и 0,5%-ным раствором H₂SO₄, а также энергетических затрат за счет более тонкого измельчения сырья, исключения стадии физико-химической делигнификации сырья, проведения ферментативного гидролиза при более низкой температуре. Кроме того, увеличивается выход спирта с единицы сырья за счет высокой концентрации сбраживаемых сахаров в исходном сусле, а также снижения их потерь при кислотном гидролизе при более полном использовании полисахаридов растительного сырья.