RU2558303C2

RU2558303C2 - Method of obtaining alcohol from lignocellulosic feedstocks

Info

Publication number: RU2558303C2
Application number: RU2013144650/10A
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Ревин; Нелли Альбертовна Атыкян; Денис Олегович Захаркин
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-07-27
Also published as: RU2013144650A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to biochemical industry. Method includes crushing lignocellulosic feedstock in two stages: at first stage to particle size not larger than 20×20×5 mm, at second stage to particle size not larger than 50 mcm, mixing crushed raw material with water with obtaining batch and continuous processing of batch with ultrasound. After that, mesophilic enzyme preparations, containing cellulose, β-glucanase, xylanase, cellobiase, are introduced, and saccharification, fermentation and separation of alcohol from wort by wort-rectification is performed.

EFFECT: alcohol production.

1 tbl

Description

Изобретение относится к биохимической промышленности и может быть использовано при производстве этилового спирта технического назначения из лигноцеллюлозного сырья.The invention relates to the biochemical industry and can be used in the production of ethyl alcohol for industrial use from lignocellulosic raw materials.

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).A known method of producing ethyl alcohol, according to which the plant material is subjected to two-stage hydrolysis with separate selection of hexose and pentose fractions, the wort is prepared, the hexose part is sent to ferment Saccharomyces cerevisiae “I”, the pentose is fermented in the presence of a yeast strain taken from the Pophyso bacilluslen series -1532, P. tannophilus VKPM U-1634, Candida tropicalis VKPM U-1633, Candida shehatae VKPM U-1632, at Т = 30-32 ° С, pH = 4.3-4.5, stirring and aeration, culture liquid connect with the mash, obtained from the hexose part, and the direction They are distilled and rectified (RU 2095415, С12Р 7/06, publ. 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.The disadvantages of the known technology include high material consumption, the use of large amounts of recycled water in the technology and the production of highly diluted wort, low environmental friendliness of the production (work with concentrated mineral acids), the technological complexity of production associated with the need to separate process streams according to the main fermentable component, and combined the use of complex cultured microorganism strains.

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).A known method of producing alcohol from low molecular weight sugars, which consists in the complex processing of lignocellulosic raw materials by a complex of biological and physical factors, leading to its hydrolysis. The resulting wort is fermented with Saccharomyces cerevisiae yeast or bacteria (for example, Zymomonas mobilis and Clostridium thermocellum) from 24 to 96 hours at temperatures ranging from 26 ° C to 40 ° C, followed by rectification of the product from the mash (RU 2490326 C2, publ. 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.The disadvantages of the technology include high material consumption, the use of various methods of physical processing in a wide range of intensities without justifying the effect exerted on a particular type of raw material, low environmental friendliness of production (work with concentrated mineral acids), the technological complexity of production associated with the use of a complex of factors, and the use complex cultured microorganism strains.

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.The technical result consists in reducing the resource and material consumption of the technology due to the rejection of treatment with concentrated mineral acids, the use of a static ratio between hydrolyzable wood and water, as well as energy costs due to finer grinding of raw materials, eliminating the stage of physico-chemical delignification of raw materials, carrying out enzymatic hydrolysis at a lower temperature. In addition, the yield of alcohol per unit of raw material increases due to a more complete use of polysaccharides of plant materials.

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.The essence of the invention lies in the fact that in the method of producing alcohol from lignocellulosic raw materials, which includes grinding the raw materials, making the batch, adding enzymes to it, saccharification, fermentation and isolation of alcohol from the mash by rectification, grinding of lignocellulosic raw materials is carried out in two stages, in the first to size particles of not more than 20 × 20 × 5 mm, on the second - to a particle size of not more than 50 μm, crushed lignocellulosic raw materials are mixed with water in a ratio of 1: 6.8 - 1: 7.2, followed by in-line processing of the obtained mixture by sound for 5-10 minutes. In the resulting batch, the pH was adjusted to 4.5-4.6 1 N. H ₂ SO ₄ , add mesophilic enzyme preparations containing cellulase in the amount of 2.7 units, β-glucanase - 3.6 units, xylanase - 2.3 units, cellobiase - 4.5 units. per 1 g of raw material, the temperature is controlled by kneading at a temperature of 55 ° C for 4 hours with stirring and then cooled to 30-32 ° C. Next, activated Sacch yeast is added. cerevisiae in an amount of 10 ¹⁰ -10 ¹² cells per 1 ml of wort and carry out fermentation at a temperature of 28-30 ° C for 96 hours.

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.The two-stage method allows to reduce energy consumption and reduce the duration of the second stage of dispersion. Such fine grinding eliminates the use of harsh pre-treatment methods, such as hydrolysis using concentrated acids or alkalis.

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.Increasing the power of ultrasonic radiation over 1.7 kW is impractical, since it will lead to a slight increase in the efficiency of subsequent hydrolysis. If the power of ultrasonic radiation is less than 1.2 kW, then bond breaks and a decrease in cellulose crystallinity will not be observed. The frequency of mechanical resonance is optimal for raw materials with a specified degree of grinding.

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.Activated Sacch yeast is added to the chilled mass. cerevisiae. Other yeast races may be used provided they consume a wide range of simple sugars and are resistant to resins and lignosulfonate.

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.The method is as follows. Take lignocellulosic raw materials with a moisture content of 10-12%. Grinding in the first stage is carried out to a particle size of not more than 20 × 20 × 5 mm. The second stage is grinding to a particle size of not more than 50 microns. To obtain a batch, crushed lignocellulosic raw materials are taken, mixed with water in a ratio of 1: 6.8 - 1: 7.2, and the batch is mechanically mixed to a homogeneous mass. At this stage, ultrasonic flow processing is carried out for 5-10 min (emitter power - 1.2-1.7 kW, mechanical resonance frequency - 20.35-23.65 kHz, circulation speed - 10 l / min) of the grinding components to accelerate production homogeneous kneading, reducing the level of contamination of the kneading and cavitation effects on grinding particles. In the resulting batch, the pH was adjusted to 4.5-4.6 1 N. H ₂ SO ₄ . The temperature in the mixer is not higher than 50 ° C. At this temperature, mesophilic enzyme preparations are added in an amount of: cellulase 2.7 units, β-glucanase - 3.6 units, xylanase - 2.3 units, cellobiase - 4.5 units. per 1 g of raw materials. Next, the temperature is controlled by kneading at a temperature of 55 ° C and holding for 4 hours with stirring. The final release of reducing sugars should be at least 2.2 g / 100 cm ³ when glucose is released at least 1.5 g / 10 cm ³ . Next, the mass is naturally cooled to 30-32 ° C. Then, activated Sacch yeast is added. cerevisiae in the amount of 10 ¹⁰ -10 ¹² cells per 1 ml of wort and transferred to fermentation in tanks at a temperature of 28-30 ° C for 96 hours. The final alcohol content in the mash reaches 1.8-1.95% (volume) due to the high concentration of fermentable sugars in the original wort, as well as reducing their losses during acid hydrolysis. In the table. 1 shows a comparative description of the processes in the classical (prototype) and the proposed method.

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.Compared with the known solution, the proposed method allows to reduce the resource and material consumption of the technology due to the refusal of treatment with concentrated mineral acids, the use of a static ratio between hydrolyzed wood and water, as well as energy costs due to finer grinding of raw materials, eliminating the stage of physicochemical delignification of raw materials carrying out enzymatic hydrolysis at a lower temperature. In addition, the alcohol yield per unit of raw material increases due to the high concentration of fermentable sugars in the initial wort, as well as a decrease in their losses during acid hydrolysis with more complete use of plant raw material polysaccharides.

Claims

A method of producing alcohol from lignocellulosic raw materials, which involves grinding the raw materials, kneading, adding enzymes to it, saccharification, fermentation and isolation of alcohol from the mash by rectification, characterized in that the grinding of lignocellulosic raw materials is carried out in two stages, the first to particle sizes of not more than 20 × 20 × 5 mm, on the second - to a particle size of not more than 50 μm, crushed lignocellulosic raw materials are mixed with water in a ratio of 1: 6.8 - 1: 7.2, followed by in-line processing of the batch with ultrasound for 5-10 mi n, in the resulting batch, the pH was adjusted to 4.5-4.6 1 N. H ₂ SO ₄ , add mesophilic enzyme preparations containing cellulase in the amount of 2.7 units, β-glucanase - 3.6 units, xylanase - 2.3 units, cellobiase - 4.5 units. per 1 g of raw material, the temperature is controlled by kneading at a temperature of 55 ° C for 4 hours with stirring and then cooled to 30-32 ° C, and then activated Sacch yeast is introduced. cerevisiae in an amount of 10 ¹⁰ -10 ¹² cells per 1 ml of wort and carry out fermentation at a temperature of 28-30 ° C for 96 hours.