EA006944B1

EA006944B1 - Способ получения глюкозы из целлюлозосодержащего сырья, преимущественно отходов пивного производства

Info

Publication number: EA006944B1
Application number: EA200500329A
Authority: EA
Inventors: Валентина Сергеевна Орлова; Николай Николаевич Филатов; Рустам Гуламжанович Шаимов; Валерий Николаевич Тычинин; Шамиль Агарагимович Джафаров; Прасанна Анурада Диас Эдирисингхе Кодитувакку
Original assignee: Валентина Сергеевна Орлова; Николай Николаевич Филатов; Рустам Гуламжанович Шаимов; Валерий Николаевич Тычинин; Шамиль Агарагимович Джафаров
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2006-06-30
Also published as: EA200500329A1; RU2223327C1; WO2004015147A1; RU2002121159A

Abstract

Изобретение относится к микробиологической, а также пищевой промышленности и может быть использовано при утилизации отходов, содержащих целлюлозу, для получения глюкозы и других сахаров, глюкозо-фруктозных сиропов, при получении этанола. Предлагаемый способ является безотходным, экологичным и недорогим, характеризуется высокой степенью биоконверсии сырья при значительном сокращении времени, необходимого для ее осуществления.Способ включает предварительную обработку целлюлозосодержащего сырья, последующий ферментативный его гидролиз и отличается тем, что предобработку проводят методом экструзии, а ферментативный гидролиз осуществляют целлюлазными препаратами Asp.mix B2000, или Bl mix, или целловиридин Г20х при массовом соотношении фермента к субстрату 1-3/1-9 соответственно.

Description

Известен способ получения глюкозы, в котором используется предварительная обработка целлюлозы хлоридом цинка, а в дальнейшем осуществляется ферментативный либо химический гидролиз продуктов, полученных на стадии переработки (патент США №4525218, МПК С 13 К 1/02, 1985 г.).

Предварительная обработка целлюлозы концентрированным раствором хлорида цинка сопровождается мерселизацией (набуханием и перестройкой структуры) и аморфизацией целлюлозы (Варвикер Д.О Набухание целлюлозы. // Целлюлоза и её производные / ред. Н. Байклз, Л. Сегал. М., 1974., т.1., с.236278). Это приводит к увеличению реакционной способности целлюлозы.

В целом метод обладает недостатками других химических методов предобработки целлюлозы или целлюлозосодержащего сырья, т.е. не экологичен, а кроме того, требует повышенной температуры (6575°С) для наиболее эффективного использования предобработки хлоридом цинка.

Известен также способ получения глюкозы путём гидролиза целлюлозы ферментным препаратом целлюлазой, ковалентно связанной с полимерным носителем [а.с. СССР №767208, МПК С13 К 1/02, приоритет 10.07.78].

При данном способе гидролиз продолжается 22-23 дня. При этом глубина происходящего процесса расщепления целлюлозы не указывается.

Наиболее близким аналогом является способ получения глюкозы из предварительно измельченного целлюлозосодержащего сырья, предусматривающий смешивание сырья с ферментом и кислотой и ферментативный гидролиз сырья с последующим отбором гидролизата. При этом гидролиз сырья проводят в две стадии, на первой из которых гидролиз ведут до получения смеси глюкозы и олигосахаридов с помощью нативного фермента, а на второй стадии осуществляют гидролиз олигосахаридов целлюлозой, иммобилизованной на нерастворимом носителе [а.с. СССР №562573, МПК С13 К 1/02, приоритет 121.07.75].

К недостаткам данного способа следует отнести неэкологичность, т.к. в нем используется в больших количествах серная или соляная кислоты (100 л 0,001н. кислоты на 100 кг целлюлозы), а также длительность процесса, составляющая 1-3 суток.

Задачей данного изобретения является создание способа получения глюкозы, основанного на эффективной, экологически безопасной и дешевой технологии утилизации целлюлозосодержащих отходов при максимальном (до 100%) выходе продукта и сокращении обычного времени ферментизации.

Следует отметить, что природная целлюлоза обладает кристаллической структурой, и биодеградация такой целлюлозы затруднена. Реакционная способность природного целлюлозосодержащего сырья при ферментативном гидролизе, как правило, невелика, поэтому возникает необходимость предварительной обработки целлюлозосодержащего сырья с целью увеличения его реакционной способности, ускорения процесса ферментативного гидролиза и достижения его максимальной эффективности.

Смысл предобработки сырья заключается в разрушении кристаллической структуры целлюлозы. При этом происходит также увеличение её удельной поверхности, что оказывает дополнительное положительное влияние на скорость гидролиза.

Поставленная задача решена следующим образом.

Разработан способ получения глюкозы из целлюлозосодержащего сырья, преимущественно отходов пивного производства, предусматривающий предварительную обработку сырья для разрушения кристаллической структуры и увеличения его удельной поверхности и последующий ферментативный гидролиз. Способ отличается тем, что из целлюлозосодержащего сырья используют ячменную или рисовую дробину, или хлопковый линт, или гузапаю; при этом предварительную обработку сырья осуществляют путем экструзии, а ферментативный гидролиз проводят ферментными препаратами А8р.ш1х В2000, или В1 Ш1х, или целловиридин Г20х при массовом соотношении фермент: экструдат 1-3:1-9 соответственно.

Предложенный способ является безотходным, экологичным и высокоэффективным. При его осуществлении биоконверсия целлюлозы происходит значительно быстрее, чем обычно, а именно в течение 14-16 ч вместо обычных 48-72 ч. При этом выход глюкозы составляет 60-100%.

Кроме того, в способе впервые успешно использован такой дешевый вид возобновляемого целлюлозосодержащего сырья, как ячменная дробина, представляющая собой отходы пивного производства.

В общем случае, в предлагаемом способе получения глюкозы сырьем могут служить дешевые целлюлозные отходы возобновляемого растительного сырья, такие как зелёные части растений, отходы деревообработки (стружки, опилки и т.п.), отходы пищевой промышленности, пивного производства (например, пивная дробина, т. е. оболочки ячменных, рисовых и других злаков, при этом ячменная и рисовая дробины состоят в основном из шелухи зерна, имеют светло-коричневую окраску и представляют собой лёгкие коротковолокнистые покрытия семян ячменя и риса, соответственно), жмых, отходы производства хлопка (хлопковый линт, гузапая) и т.п.

Экологичность способа достигается тем, что в качестве предварительной обработки используют малоэнергоёмкий и экологически чистый метод экструзии, а гидролиз проводят ферментативным методом, т.е. в способе не используются химические методы переработки сырья, требующие применения ки

- 1 006944 слот, щелочей и других экологически вредных соединений, а также не используется традиционный при получении глюкозы из растительного сырья кислотный гидролиз.

Максимальный выход продуктов (глюкозы и других сахаров) и сокращение времени ферментизации до 14-16 ч по сравнению с обычной продолжительностью ферментации 48-72 ч связаны с применением стадии предобработки сырья методом экструзии, а также с тем, что ферментативный гидролиз целлюлозосодержащего сырья осуществлялся следующими ферментными препаратами:

- Азр.тх В 2000 (продуцент АзрегщШиз аси1еаШ8),

- В1 Ш1х (продуцент РешсШшш 1ишси1о8иш),

- целловиридин Г20х (продуцент Тпс11ос1егта геезе1).

Первые два препарата получают в лаборатории О.Н. Окунева ИБФМ РАН, а третий производится на Бердском заводе биологических препаратов.

Оценка важнейших параметров ферментативного процесса получения глюкозы в зависимости от различных условий его осуществления представлена в табл. 1-4.

Эффективность предобработки сырья оценивается определением фракционного состава, который для ячменной и рисовой дробины указан в табл. 1.

Таблица 1. Фракционный состав по размеру частиц ячменной и рисовой дробины до и после предобработки экструзией

Вид сырья	Фракционный состав, %
х>1,66 мм	1,66 мм >х>1,25 мм	1,25 мм>х>0,071мм	0,071 мм > х
Рисовая дробина, непредобработанная, %	26,0± 1,42	16,77±2,2	47,30+4,1	0,00
Рисовая дробина после предобработки экструзией, %	34,56±0,99	13,95±1,74	52,59±2,6	0,00
Ячменная дробина, непредобработанная, %	71,12+3,8	12,86±1,74	16,23±1,8	0,00
Ячменная дробина после предобработки экструзией,%	91,50±1,0	1,18±0,03	4,21 ±0,2	0,00

Метод экструзии ячменной и рисовой дробины частично уменьшает размер частиц. Однако здесь в основном происходит разрушение кристаллической структуры, а также делигнификация. Это приводит к увеличению удельной поверхности и увеличению доступности для ферментов. У ячменной дробины 90,5% массы составляют частицы с размером более 1,66 мм, а у рисовой дробины основную фракцию (52,5%) по массе составляют частицы с размерами от 1,25 до 0,071 мм (табл. 1).

- 2 006944

Таблица 2. Начальная скорость и глубина ферментативного гидролиза в зависимости от вида целлюлозосодержащего сырья и способа предобработки

Материал и вид предобработки	Начальная скорость гидролиза до глюкозы, г/л· ч	Глубина гидролиза за 10 ч, %
Ячменная дробина нативная	0,23	9,85
Ячменная дробина, предобработанная на вибромельнице	5,76	66,6
Ячменная дробина, предобработанная экструзией	9,01	93,7
Ячменная дробина нативная	0,13	3,59
Рисовая дробина, предобработанная на вибромельнице	0,23	29,54
Рисоваяа, предобработанная экструзией	3,61	69,1
Хлопковый линт нативный; гузапая нативная	0,15	1,2
Хлопковый линт, предобработаный на вибромельнице; гузапая, предобработанная на вибромельнице	2,9	29,8
Хлопковый линт, предобработанный экструзией; гузапая, предобработанная экструзией	3,93	68,2

Таблица 3. Зависимость глубины гидролиза ячменной дробины, предобработанной экструзией, от продуцентов целлюлаз

Продуценты целлюлаз	Глубина гидролиза за 10 ч, %
Азр.пйх В2000 (род АзрегЦШиз)	93,4
В1 пнх (род РетсПНит)	85,9
Целловиридин Г20х (род Тпсйобегта)	60,1

Таблица 4. Зависимость глубины ферментативного гидролиза ячменной дробины, предобработанной экструзией, от соотношения фермент/субстрат (ф/с)

Заявляемый способ может быть осуществлен следующим образом.

Целлюлозосодержащее сырье предварительно обрабатывают методом экструзии. Экструдат получают при небольшом содержании влаги в исходном сырье (10-15%), высокой температуре (130-200 С) в двухшнековом экструдере (частота вращения шнека 485 об/мин, мощность 5,5 кВт при номинальном

- 3 006944 напряжении 380 В, трехфазном токе) производительностью 50 кг/ч.

Полученный экструдат подвергают ферментативному гидролизу в колбах объемом 100 мл или в ферментере с рабочим объемом 1 л при перемешивании на качалке (150 колебаний/мин) и следующих условиях: ΐ = 45°С; рН среды = 7,7; время инкубации 10 ч. Весовые соотношения концентраций (г/г) и субстрата (ф/с) берут в интервале 1-3 / 1-9 соответственно.

Пример 1. В качестве сырья берут ячменную дробину, а в качестве ферментного препарата Лзр.т1х В2000 или В1 т1х при соотношениях фермент/субстрат (ф/с), указанных в табл. 5/1. Способ осуществляют, как описано выше. Результаты представлены в табл. 5/1.

Пример 2. В качестве сырья используют рисовую дробину, а в качестве ферментного препарата целловиридин Г20х. Процесс ведут, как описано выше. Результаты представлены в табл. 5/2.

Пример 3. В качестве сырья берут хлопковый линт или гузапаю, а в качестве фермента - препарат целловиридин Г20х. Процесс проводят, как описано выше. Результаты представлены в табл. 5/3.

Таблица 5/1

Фермент	Субстрат	Соотношение фермента к субстрату (ф/с)	Целлюлоза, %	Глюкоза, %	Глубина гидролиза, %	Время инкубации
Азр.гшх В2000	Ячменная дробина, предобработанная экструзией	1:1	В колбе
20,6	18,27	85,9	10ч
В ферментере
20,8	18,34	94,1	То же
Β1 ηιΐχ	То же	1:9	В колбе
20,6	20,11	93,43	То же

Таблица 5/2

Фермент	Субстрат	Соотношение фермента к субстрату (ф/с)	Целлюлоза, %	Глюкоза, %	Глубина гидролиза, %	Время инкубации
Целловиридин Г20х	Рисовая дробина, предобработанная экструзией	1:9	22,0	12,25	47,27	10ч

Таблица 5/3

Фермент	Субстрат	Соотношение фермента к субстрату (Ф/с)	Целлюлоза, %	Глюкоза, %	Глубина гидролиза, %	Время инкубации
Целловиридин Г20х	Хлопковый линт или гузапая	1:9	В колбах
17,2	15,2	68,5	10ч

При применении данного способа в производственных условиях твердая фаза (смесь остатков растительного сырья, глюкозы, фруктозы) в дальнейшем может быть использована в качестве корма для животных, а жидкая фаза, содержащая глюкозу и фруктозу (т.е. глюкозо-фруктозный сироп), может быть использована в кондитерской промышленности и в производстве этанола.

Claims

Способ получения глюкозы из целлюлозосодержащего сырья, включающий предварительную обработку сырья для разрушения кристаллической структуры и увеличения его удельной поверхности, и ферментативный гидролиз, отличающийся тем, что из целлюлозосодержащего сырья используют ячменную или рисовую дробины, или хлопковый линт, или гузапаю, при этом предварительную обработку сырья осуществляют путем экструзии, а ферментативный гидролиз проводят ферментными препаратами Акр.т1х В2000, или В1 т1х, или целловиридин Г20х при массовом соотношении фермент:экструдат 1-3:19 соответственно.