Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА ИЗ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО СЫРЬЯ

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

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 Saccharomyces cerevisiae «Я», пентозную ферментируют в присутствии штамма дрожжей, взятого из ряда Pachysolen tannophilus ВКПМ У-1532, P. tannophilus ВКПМ У-1634, Candida tropicalis ВКПМ У-1633, Candida shehatae ВКПМ У-1632, при Т=30-32°С, рН=4,3-4,5, перемешивании 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 получения спирта из низкомолекулярных сахаров, заключающийся в комплексной обработке лигноцеллюлозного сырья комплексом биологических и физических факторов, проводящей к его гидролизу. Полученное сусло сбраживается дрожжами Saccharomyces cerevisiae или бактериями (к примеру, - Zymomonas mobilis и Clostridium thermocellum) от 24 до 96 часов при температурах в диапазоне от 26°С до 40°С с последующей ректификацией продукта из браги (RU 2490326 С2, опубл. 28.04.2009).

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 водой, 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 из лигноцеллюлозного сырья, предусматривающем измельчение 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 водой в соотношении 1:6,8 - 1:7,2 с последующей поточной обработкой полученного замеса ультразвуком в течение 5-10 мин. В полученном замесе рН доводят до 4,5-4,6 1 н. H₂SO₄, добавляют мезофильные ферментные препараты, содержащие целлюлазу в количестве 2,7 ед., β-глюканазу - 3,6 ед., ксиланазу - 2,3 ед., целлобиазу - 4,5 ед. на 1 г сырья, проводят термостатирование замеса при температуре 55°С в течение 4 час при перемешивании и затем охлаждают до 30-32°С. Далее вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae в количестве 10¹⁰-10¹² клеток на 1 мл сусла и проводят сбраживание при температуре 28-30°С в течение 96 часов.

Двухстадийность метода позволяет снизить энергнозатраты 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. Если мощность ультразвукового излучения будет меньше 1,2 кВт, то не будут наблюдаться разрывы связей и уменьшение кристалличности целлюлозы. Частота механического резонанса оптимальна для сырья с указанной степенью помола.

В охлажденную массу вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae. Возможно использование других рас дрожжей при условии потребления ими широкого спектра простых сахаров и устойчивости к смолам и лигносульфонату.

Способ осуществляют следующим образом. 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 водой в соотношении 1:6,8 - 1:7,2 и механически перемешивают замес до однородной массы. На этом этапе проводят поточную обработку ультразвуком 5-10 мин (мощность излучателя - 1,2-1,7 кВт, частота механического резонанса - 20,35-23,65 кГц, скорость циркуляции - 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 1 н. H₂SO₄. Температура в смесителе не выше 50°С. При этой температуре добавляют мезофильные ферментные препараты в количестве: целлюлаза 2,7 ед., β-глюканазу - 3,6 ед., ксиланазу - 2,3 ед., целлобиазу - 4,5 ед. на 1 г сырья. Далее проводят термостатирование замеса при температуре 55°С и выдержке 4 часа при перемешивании. Окончательное высвобождение редуцирующих сахаров должно составлять не менее 2,2 г/100 см³ при высвобождении глюкозы не менее 1,5 г/10 см³. Далее массу охлаждают естественным способом до 30-32°С. Затем вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae в количестве 10¹⁰-10¹² клеток на 1 мл сусла и передают на сбраживание в чаны при температуре 28-30°С на 96 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 приведены сравнительная характеристика процессов при классическом (прототипе) и предлагаемом способе.

По сравнению с известным решением предлагаемый способ позволяет снизить ресурсо- и материалоемкости технологии за счет отказа от обработки концентрированными минеральными кислотами, использования статичного соотношения между гидролизуемой древесиной и водой, а также энергетические затраты 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.