RU2636004C1

RU2636004C1 - Method of producing 5-hydroxymethylfurfurol and ethanol from cellulose

Info

Publication number: RU2636004C1
Application number: RU2016140268A
Authority: RU
Inventors: Ксения Николаевна Сорокина; Оксана Павловна Таран; Татьяна Борисовна Медведева; Валентин Николаевич Пармон
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2017-11-17

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: method involves catalytic hydrolysis-dehydration of mechanically activated microscopic cellulose using a modified heterogeneous Sibunit-4 catalyst, extraction of 5-hydroxymethylfurfural and fermentation of the formed sugars into ethanol using the thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290.

EFFECT: high ethanol yield.

11 cl, 1 dwg, 3 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области биотехнологии, гидролизной и микробиологической промышленности. Предложен способ получения этанола путем ферментации смесей, получаемых после выделения 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) из каталитических гидролизатов активированной микрокристаллической целлюлозы, штаммом термотолератныных дрожжей Kluyveromyces marxianus ВКПМ Y-4290.The invention relates to the field of biotechnology, hydrolysis and microbiological industry. A method for the production of ethanol by fermentation of mixtures obtained after the isolation of 5-hydroxymethyl furfural (5-GMF) from catalytic hydrolysates of activated microcrystalline cellulose using the Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290 thermotolerate yeast strain is proposed.

Возобновляемая биомасса является перспективным источником сырья для производства моторных топлив и ценных химических веществ. Наибольший интерес для промышленности представляет переработка продуктов делигнифицированной биомассы, а именно холоцеллюлозы и целлюлозы, в моносахариды. С этой целью широко применяются гидролиз полисахаридов гомогенными катализаторами - минеральными кислотами, щелочами ферментами [1], в ряде случаев эти методы позволяют достигать степени превращения целлюлозы путем гидролиза целлюлозы выше 90%. Кроме того, широкое применение нашел метод парового взрыва лигноцеллюлозы, который в сочетании с ферментативным гидролизом позволяет осуществлять ее эффективный гидролиз до моносахаридов. Несмотря на это, применение всех вышеописанных методов сопряжено с рядом недостатков. Например, существенным недостатком методов гидролиза с использованием неорганических кислот (или оснований) является образование большого количества отходов производства, в том числе сточных вод, шламов и др., а также необходимость использования оборудования, устойчивого к коррозии. Используемые в промышленности схемы получения гексоз и пентоз из биомассы для последующей ферментации в этанол с использованием дрожжей Saccharomyces cerevisiae, позволяют на стадии гидролиза получить моносахариды с выходом 2,8-3,3 вес.%, которые содержат побочные продукты гидролиза, оказывающие ингибирующее влияние на микроорганизмы в процессе ферментации, в том числе 5-ГМФ (0.03-0.18 вес.%) и фурфурол (0.02-0.12 вес.%) [2]. Снижение концентрации данных веществ в основном достигается путем очистки смесей (например, с использованием гипсового молока или методом ионообменной хроматографии), что приводит к образованию дополнительных отходов. Применение ферментативного гидролиза целлюлозы с использованием целлюлозолитических ферментов, хотя, несомненно, и обладает экологической чистотой, но пока остается достаточно дорогостоящим.Renewable biomass is a promising source of raw materials for the production of motor fuels and valuable chemicals. Of greatest interest to industry is the processing of delignified biomass products, namely, holocellulose and cellulose, into monosaccharides. To this end, hydrolysis of polysaccharides by homogeneous catalysts — mineral acids, alkali enzymes [1] — is widely used; in some cases, these methods make it possible to achieve the degree of cellulose conversion by hydrolysis of cellulose above 90%. In addition, the method of steam explosion of lignocellulose, which in combination with enzymatic hydrolysis makes it possible to carry out its effective hydrolysis to monosaccharides, is widely used. Despite this, the application of all the above methods is associated with a number of disadvantages. For example, a significant drawback of hydrolysis methods using inorganic acids (or bases) is the formation of a large amount of production waste, including wastewater, sludge, etc., as well as the need to use corrosion resistant equipment. The industrial schemes for producing hexoses and pentoses from biomass for subsequent fermentation into ethanol using Saccharomyces cerevisiae yeast allow monosaccharides to be obtained in the hydrolysis stage in a yield of 2.8-3.3 wt.%, Which contain hydrolysis by-products that have an inhibitory effect on microorganisms in the fermentation process, including 5-GMF (0.03-0.18 wt.%) and furfural (0.02-0.12 wt.%) [2]. The decrease in the concentration of these substances is mainly achieved by purification of mixtures (for example, using gypsum milk or by ion exchange chromatography), which leads to the formation of additional waste. The use of enzymatic hydrolysis of cellulose using cellulolytic enzymes, although, of course, is environmentally friendly, but still remains quite expensive.

Решением ряда перечисленных проблем гидролиза целлюлозы является применение твердых кислотных катализаторов основе углерода, которые позволяют в результате одностадийного процесса, совмещающего кислотный гидролиз целлюлозы до глюкозы и дегидратацию последней, получать не только глюкозу, но и 5-гидроксиметилфурфурол (5-ГМФ), являющийся одним из ключевых соединений для производства широкого спектра продуктов (дизельных и авиационных топлив, пластмасс и др.). Полученный подобным образом 5-ГМФ может быть легко выделен от раствора Сахаров при помощи экстракции органическими растворителями, что позволяет получить его в чистом виде для переработки в ценные продукты. Остающийся водный раствор является ценным сырьем с высоким содержанием глюкозы и пониженным содержанием фурановых производных, который можно использовать для ферментации микроорганизмами.A number of the listed problems of cellulose hydrolysis are solved by the use of carbon-based solid acid catalysts, which, as a result of a one-step process combining the acid hydrolysis of cellulose to glucose and the dehydration of the latter, produce not only glucose, but also 5-hydroxymethyl furfural (5-GMF) key compounds for the production of a wide range of products (diesel and aviation fuels, plastics, etc.). The 5-GMF obtained in this way can be easily isolated from the Sugar solution by extraction with organic solvents, which allows it to be obtained in pure form for processing into valuable products. The remaining aqueous solution is a valuable raw material with a high glucose content and a reduced content of furan derivatives, which can be used for fermentation by microorganisms.

Наиболее распространенным продуктом ферментации глюкозы является этанол, занимающий свыше 90% мирового рынка биотоплива. Традиционно использующиеся для ферментации дрожжи S. cerevisiae обладают способностью к продукции этанола при температурах 25-37°С. Необходимость поддержания температуры в указанном интервале повышает стоимость производства этанола. Снижение стоимости процесса возможно путем применения термотолерантных дрожжей (напр., Kluyveromyces marxianus и Ogataea polymorpha), продуцирующих этанол при температуре 45°С. Кроме того, термотолерантные дрожжи обладают способностью кометаболизировать глюкозу и ксилозу, что делает их перспективными для ферментации гидролизных смесей делигнифицированной биомассы (холоцеллюлозы). Ферментация при высоких температурах позволяет значительно сократить затраты на охлаждение ферментационной жидкости и тем самым улучшить экономические показатели процесса. Кроме того, высокая температура процесса позволяет снизить рост побочной микрофлоры. Термотолерантные дрожжи способны расти на средах, содержащих глюкозу, ксилозу, целлобиозу и другие сахара, входящие в состав гидролизатов биомассы, что дает возможность проводить ее более полную переработку.The most common glucose fermentation product is ethanol, which occupies over 90% of the global biofuel market. Traditionally used for fermentation, S. cerevisiae yeast is capable of producing ethanol at temperatures of 25-37 ° C. The need to maintain the temperature in this range increases the cost of ethanol production. Reducing the cost of the process is possible by using thermotolerant yeast (e.g., Kluyveromyces marxianus and Ogataea polymorpha) producing ethanol at a temperature of 45 ° C. In addition, thermotolerant yeast has the ability to cometabolize glucose and xylose, which makes them promising for the fermentation of hydrolysis mixtures of delignified biomass (holocellulose). Fermentation at high temperatures can significantly reduce the cost of cooling the fermentation liquid and thereby improve the economic performance of the process. In addition, the high temperature of the process reduces the growth of incidental microflora. Thermo-tolerant yeast can grow on media containing glucose, xylose, cellobiose and other sugars that are part of biomass hydrolysates, which makes it possible to carry out its more complete processing.

В Пат. ЕР 1130085 А1 [3] описан способ получения этанола путем ферментации гидролизата лигноцеллюлозной биомассы. Предварительно измельченная до размера 15-30 мм биомасса, подвергается паровому взрыву при температуре 190-230°С в течение 1-10 мин в реакторе с последующим отделением обработанной биомассы в циклоне и фильтрацией в фильтр-прессе. Осадок гидролизуется ферментами, затем проводится ферментацию с использованием штамма термотолерантных дрожжей Kluyveromyces marxianus СЕСТ 10875, в течение 72 ч при 42°С.In Pat. EP 1130085 A1 [3] describes a method for producing ethanol by fermentation of a lignocellulosic biomass hydrolyzate. Pre-crushed to a size of 15-30 mm biomass is subjected to steam explosion at a temperature of 190-230 ° C for 1-10 minutes in a reactor, followed by separation of the treated biomass in a cyclone and filtration in a filter press. The precipitate is hydrolyzed by enzymes, then fermentation is carried out using a strain of thermo-tolerant yeast Kluyveromyces marxianus CEST 10875, for 72 hours at 42 ° C.

Недостатком данного изобретения является необходимость использования специального оборудования, а также высоких температур и давления для процедуры парового взрыва, а также ферментных препаратов в процессе осахаривания субстрата, которые, в свою очередь, ингибируются продуктами гидролиза и не могут быть использованы повторно.The disadvantage of this invention is the need to use special equipment, as well as high temperatures and pressures for the steam explosion procedure, as well as enzyme preparations in the process of saccharification of the substrate, which, in turn, are inhibited by hydrolysis products and cannot be reused.

В Пат. US 8268600 В2 [4] описан способ получения этанола путем ферментации гидролизата, полученного в результате обработки лигноцеллюлозы (багассы) разбавленной серной кислотой, с использованием штамма термотолерантных дрожжей Kluyveromyces sp. IIPE453 МТСС 5314 при 40-55°С. Выход этанола составляет 10-58.75%. Перед ферментацией производится очистка сахаров гидролизата методом ионообменной хроматографии на смоле IRA 904 или боксите.In Pat. US 8268600 B2 [4] describes a method for producing ethanol by fermentation of a hydrolyzate obtained by treating lignocellulose (bagasse) with dilute sulfuric acid using a strain of thermotolerant yeast Kluyveromyces sp. IIPE453 MTCC 5314 at 40-55 ° C. The ethanol yield is 10-58.75%. Before fermentation, the hydrolyzate sugars are purified by ion exchange chromatography on IRA 904 resin or bauxite.

Недостатками этого способа получения этанола из лигноцеллюлозы являются использование кислотного гидролиза, приводящего к образованию отходов, а также необходимость дополнительной очистки сахаров с использованием ионообменной хроматографии и низкий выход этанола.The disadvantages of this method of producing ethanol from lignocellulose are the use of acid hydrolysis, leading to the formation of waste, as well as the need for additional purification of sugars using ion exchange chromatography and a low yield of ethanol.

Наиболее близкий аналог изобретения описан в работе [5]. Было проведено получение этанола путем каталитического гидролиза обработанной щелочами шелухи риса с использованием кислотного углеродного катализатора с последующей очисткой гидролизата от ингибиторов ферментации с использованием ионообменных смол и сбраживанием полученных Сахаров дрожжами S.cerevisiae. Катализатор содержит большое количество сульфо-групп, т.к. получен из глицерина путем карбонизации в присутствии четырехкратного избытка серной кислоты [6]. Показано, что на оптимизированном катализаторе выходы сахаров из обработанной щелочью биомассы рисовой шелухи составили до 31%, из сырой биомассы, а продукция этанола на гидролизатах достигала 52.29% от теоретически возможного [5]. Недостатками этого способами получения этанола, помимо его низкого выхода, являются необходимость использования дополнительной процедуры очистки, усложняющей и увеличивающей стоимость процесса получения сахаров при гидролизе. Кроме того, для ферментации сахаров в этанол используются мезофильные дрожжи S.cerevisiae, требующие при культивировании значительных затрат на охлаждение ферментационной жидкости.The closest analogue of the invention is described in [5]. Ethanol was obtained by catalytic hydrolysis of alkali-treated rice husks using an acidic carbon catalyst, followed by purification of the hydrolyzate from fermentation inhibitors using ion-exchange resins and fermentation of the obtained sugars with S. cerevisiae yeast. The catalyst contains a large number of sulfo groups, because obtained from glycerol by carbonization in the presence of a four-fold excess of sulfuric acid [6]. It was shown that, on an optimized catalyst, the yields of sugars from alkali-treated rice husk biomass amounted to 31%, from raw biomass, and ethanol production on hydrolysates reached 52.29% of the theoretically possible [5]. The disadvantages of this method of producing ethanol, in addition to its low yield, are the need to use an additional purification procedure that complicates and increases the cost of the process of producing sugars during hydrolysis. In addition, S. cerevisiae mesophilic yeast is used for the fermentation of sugars into ethanol, which requires significant expenditures for the cooling of the fermentation liquid during cultivation.

Изобретение решает задачу разработки способа комплексной переработки целлюлозы путем ее одностадийного каталитического гидролиза-дегидратации с образованием 5-ГМФ и сахаров, с последующей ферментацией последних в этанол. Предлагаемый способ по сравнению с другими позволяет получать из гидролизатов целлюлозы более высокие выходы этанола и, одновременно, 5-ГМФ, а также характеризуется меньшим количеством отходов и сниженными затратами на процесс ферментации за счет использования более высоких температур (≥40°С) для культивирования.The invention solves the problem of developing a method for the integrated processing of cellulose by its one-stage catalytic hydrolysis-dehydration with the formation of 5-GMP and sugars, followed by fermentation of the latter into ethanol. The proposed method, compared with others, allows to obtain higher yields of ethanol and, simultaneously, 5-GMF from cellulose hydrolysates, and is also characterized by less waste and reduced costs for the fermentation process due to the use of higher temperatures (≥40 ° C) for cultivation.

Задача решается путем использования одностадийного каталитического процесса для гидролиза-дегидратации механически активированной микрокристаллической целлюлозы, последующей экстракции 5-ГМФ (как самостоятельного ценного продукта) и ферментации остаточных Сахаров в этанол с использованием штамма термотолерантных дрожжей, преимущественно Kluyveromyces marxianus ВКПМ Y-4290.The problem is solved by using a one-stage catalytic process for the hydrolysis-dehydration of mechanically activated microcrystalline cellulose, the subsequent extraction of 5-GMF (as an independent valuable product) and the fermentation of residual Sugars into ethanol using a thermotolerant yeast strain, mainly Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290.

Предложен способ получения этанола и 5-гидроксиметилфурфурола из целлюлозы путем ее одностадийного каталитического гидролиза-дегидратации механически активированной микрокристаллической целлюлозы с последующей экстракцией полученного 5-гидроксиметилфурфурола - 5-ГМФ растворителями и ферментацией оставшихся сахаров в этанол с использованием термотолерантных дрожжей. В качестве сырья используют целлюлозу, преимущественно микрокристаллическую целлюлозу, с размером фракции 79-149 мкм, преимущественно 114±35 мкм, индексом кристалличности 80-92%. Перед каталитическим гидролизом-дегидратацией микрокристаллической целлюлозы проводят ее активацию, преимущественно механическую, где используют планетарную мельницу дискретного действия, размер получаемых частиц составляет 1-140 мкм, преимущественно 22,3±8 мкм, а кристалличность образца находится в диапазоне 30-50%. Для каталитического гидролиза-дегидратации микрокристаллической целлюлозы применяют гетерогенные катализаторы, такие как: цеолиты, ионообменные смолы, соли гетерополикислот, оксиды переходных металлов, углеродные материалы, такие как: активированный уголь, пиролитический углерод, углеродные нанотрубки, преимущественно углеродный материал «Сибунит-4». Углеродный материал «Сибунит-4» модифицируют путем окисления влажной воздушной смесью при температуре 400-500°С, преимущественно при 450°С, размер частиц катализатора составляет 0,05-10 мм, преимущественно 56-94 мкм, площадь удельной поверхности (Sbet), определяемая методом низкотемпературной адсорбции азота, находится в диапазоне 300-500 м²/г, объем мезопор в диапазоне - 0,3-0,5 см³/г, концентрация кислотных групп составляет 0,1-0,5 ммоль г^-1. Реакцию гидролиза-дегидратации активированной микрокристаллической целлюлозы проводят при температуре 150-250°С, преимущественно при 180°С и давлении аргона 1 МПа. Экстракцию 5-гидроксиметилфурфурола 5-ГМФ проводят растворителями, такими как: изобутанол, 1-бутанол, диэтиловый эфир, метилизобутилкетон, этилацетат, тетрагидрофуран, 2-бутанол, преимущественно изобутанол. Для получения ферментационной среды в экстрагированный гидролизат целлюлозы добавляют минеральные соли (г/л), в том числе (но не ограничиваясь): KH₂PO₄ 1.0, MgSO₄ 0.5, NaCl 0.1, CaCl₂ 0.1, (NH₄)₂SO₄ 5.0) с 5.0 г/л и дрожжевой экстракт в концентрации 1.0 г/л и титруют до необходимого рН с использованием основания, в том числе, но не ограничиваясь: NaOH, Са(ОН)₂ или аммиак, предпочтительно, аммиак, для ферментации используют рН среды 3.0-7.0, преимущественно рН 4.5-5.5. Для ферментации экстрагированного гидролизата целлюлоз используют термотолерантные дрожжи, включающие, но не ограниченные видами: Debaryomyces hansenii, Kluyveromyces bulgaricus, Kluyveromyces marxianus, Ogataea polymorpha, Ogataea parapolymorpha, Cryptococcus tepidarius, Pichia thermomethanolica, Candida krabiensis, Candida sithepensis, преимущественно, термотолерантные дрожжи Kluyveromyces marxianus, преимущественно, штамм Kluyveromyces marxianus ВКПМ Y-4290. Ферментацию смеси проводят дрожжами Kluyveromyces marxianus ВКПМ Y-4290 в среде, содержащей каталитический гидролизат микрокристаллической целлюлозы, упаренный и нейтрализованный аммиаком до рН 4.0-6.5, где концентрация сахаров составляет 10-100 г/л в анаэробных условиях, ферментацию проводят при температуре 30-50°С, преимущественно 37-50°С, Для ферментации используют смесь, содержащую сахара, получаемые при гидролизе целлюлозы, преимущественно, но, не ограничиваясь, глюкозу, маннозу, сахарозу и целлобиозу или их комбинации.A method for the production of ethanol and 5-hydroxymethyl furfural from cellulose by its one-stage catalytic hydrolysis-dehydration of mechanically activated microcrystalline cellulose, followed by extraction of the obtained 5-hydroxymethyl furfural - 5-HMF with solvents and fermentation of the remaining sugars into ethanol using yeast tolerance, is proposed. The raw materials used are cellulose, mainly microcrystalline cellulose, with a fraction size of 79-149 microns, mainly 114 ± 35 microns, a crystallinity index of 80-92%. Before the catalytic hydrolysis-dehydration of microcrystalline cellulose, it is activated, mainly mechanical, where a discrete planetary mill is used, the size of the resulting particles is 1-140 μm, mainly 22.3 ± 8 μm, and the crystallinity of the sample is in the range of 30-50%. For the catalytic hydrolysis-dehydration of microcrystalline cellulose, heterogeneous catalysts are used, such as: zeolites, ion exchange resins, heteropolyacid salts, transition metal oxides, carbon materials such as activated carbon, pyrolytic carbon, carbon nanotubes, mainly Sibunit-4 carbon material. The Sibunit-4 carbon material is modified by oxidation with a moist air mixture at a temperature of 400-500 ° C, mainly at 450 ° C, the particle size of the catalyst is 0.05-10 mm, mainly 56-94 microns, specific surface area (Sbet) determined by the method of low-temperature nitrogen adsorption is in the range of 300-500 m ² / g, the mesopore volume is in the range of 0.3-0.5 cm ³ / g, the concentration of acid groups is 0.1-0.5 mmol g ^-1 . The hydrolysis-dehydration reaction of activated microcrystalline cellulose is carried out at a temperature of 150-250 ° C, mainly at 180 ° C and an argon pressure of 1 MPa. The extraction of 5-hydroxymethylfurfural 5-GMF is carried out with solvents such as: isobutanol, 1-butanol, diethyl ether, methyl isobutyl ketone, ethyl acetate, tetrahydrofuran, 2-butanol, mainly isobutanol. To obtain a fermentation medium, mineral salts (g / l) are added to the extracted cellulose hydrolyzate, including (but not limited to): KH ₂ PO ₄ 1.0, MgSO ₄ 0.5, NaCl 0.1, CaCl ₂ 0.1, (NH ₄ ) ₂ SO ₄ 5.0) with 5.0 g / l and yeast extract at a concentration of 1.0 g / l and titrated to the desired pH using a base, including, but not limited to: NaOH, Ca (OH) ₂ or ammonia, preferably ammonia, for fermentation The pH of the medium is 3.0-7.0, mainly pH 4.5-5.5. For fermentation of the extracted cellulose hydrolyzate, thermotolerant yeast is used, including but not limited to the species: Debaryomyces hansenii, Kluyveromyces bulgaricus, Kluyveromyces marxianus, Ogataea polymorpha, Ogataea parapolymiensidae, Candidaeraicenspens, Candidaemiens, Candidaeriens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiidae, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens, Candidaemiens mainly, the strain Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290. Fermentation of the mixture is carried out with the yeast Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290 in a medium containing a catalytic microcrystalline cellulose hydrolyzate evaporated and neutralized with ammonia to a pH of 4.0-6.5, where the sugar concentration is 10-100 g / l under anaerobic conditions, fermentation is carried out at a temperature of 30-50 ° C, mainly 37-50 ° C. For fermentation use a mixture containing sugars obtained by hydrolysis of cellulose, mainly, but not limited to, glucose, mannose, sucrose and cellobiose, or combinations thereof.

Изобретение решает следующие задачи: (1) снижение количества образующихся отходов производства гидролизного этанола за счет использования более экологичного метода каталитического гидролиза-дегидратации целлюлозы с применением твердых углеродных катализаторов, подлежащих многократному использованию, а также отсутствием большого количества отходов (например, сточных вод); (2) снижение затрат на производство за счет отсутствия необходимости использования коррозионно-стойкого оборудования и ферментов; (3) использование Сахаров в качестве сырья для ферментации, являющихся побочным продуктом получения ценного вещества 5-ГМФ; (4) использования для ферментации термотолерантных дрожжей Kluyveromyces marxianus.The invention solves the following problems: (1) reducing the amount of generated hydrolysis ethanol production waste due to the use of a more environmentally friendly method of catalytic hydrolysis-dehydration of cellulose using solid carbon catalysts to be reused, as well as the absence of a large amount of waste (for example, wastewater); (2) reduction of production costs due to the absence of the need to use corrosion-resistant equipment and enzymes; (3) the use of Sugars as raw materials for fermentation, which are a by-product of the valuable substance 5-GMF; (4) use for fermentation of thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus.

В отличие от наиболее близкого аналога в настоящем изобретении для увеличения степени гидролиза целлюлозы использованы следующие новые подходы (или решения): 1) применен метод ее механической активации, позволяющий снизить степень кристалличности целлюлозы на поверхности и увеличить доступность ее фибирилл для гидролиза [6, 7]; использован кислотный углеродный катализатор позволяющий получать выходы глюкозы из механически активированной целлюлозы до 45% от теоретического [6] и приготовленный окислением промышленного углеродного катализатора Сибунит-4 влажным воздухом [8], что позволяет избежать использования серной кислоты при производстве катализатора, а, следовательно, образования опасных отходов. В изобретении применен одностадийный процесс, основанный на получении 5-ГМФ и сахаров путем гидролиза-дегидратации целлюлозы. Кроме того, в данном изобретении для ферментации используются отходы процесса получения 5-ГМФ, который извлекается из смеси путем экстракции органическим растворителем. Это позволяет исключить применение дорогостоящей дополнительной стадии очистки смеси с использованием ионообменной хроматографии. Другой отличительной особенностью данного изобретения от ближайшего аналога является использование для ферментации термотолерантных, а не мезофильных дрожжей, что позволяет снизить затраты на охлаждение ферментационной жидкости в процессе получения этанола.In contrast to the closest analogue in the present invention, to increase the degree of hydrolysis of cellulose, the following new approaches (or solutions) were used: 1) a method of its mechanical activation was used to reduce the degree of crystallinity of cellulose on the surface and increase the availability of its fibrils for hydrolysis [6, 7] ; an acidic carbon catalyst was used, which makes it possible to obtain glucose yields from mechanically activated cellulose up to 45% of theoretical [6] and prepared by oxidation of the industrial carbon catalyst Sibunit-4 with moist air [8], which avoids the use of sulfuric acid in the production of the catalyst, and, consequently, the formation of hazardous waste. The invention employs a one-step process based on the production of 5-GMF and sugars by hydrolysis-dehydration of cellulose. In addition, in the present invention, waste products of the 5-GMF production process, which is extracted from the mixture by extraction with an organic solvent, are used for fermentation. This eliminates the use of an expensive additional stage of purification of the mixture using ion exchange chromatography. Another distinguishing feature of this invention from the closest analogue is the use of fermentation tolerant rather than mesophilic yeast, which reduces the cost of cooling the fermentation liquid in the process of obtaining ethanol.

В качестве сырья для получения этанола предлагаемым способом используют микрокристаллическую целлюлозу, измельченную до фракции 14-30 мкм с индексом кристалличности 30-50%. Мехактивацию кристаллической целлюлозы проводят с использованием планетарной мельницы дискретного действия.As raw materials for the production of ethanol by the proposed method, microcrystalline cellulose is crushed to a fraction of 14-30 μm with a crystallinity index of 30-50%. The mechanical activation of crystalline cellulose is carried out using a discrete planetary mill.

Полученную мехактивированную целлюлозу подвергают каталитическому гидролизу-дегидратации. Для такого гидролиза могут использоваться гетерогенные катализаторы, такие как цеолиты, ионообменные смолы, соли гетерополикислот, оксиды переходных металлов, но наиболее перспективными катализаторами представляется углеродные материалы (активированный уголь, пиролитический углерод, углеродные нанотрубки). Мезопористый углеродный материал «Сибунит-4» обладает достаточно развитой поверхностью, термической стабильностью и высокой механической прочностью. Поверхность «Сибунит-4» модифицируют путем окисления влажной воздушной смесью при температуре 450°С с целью повышения кислотности углеродного материала [8]. Такой способ окисления обладает преимуществами, такими как упрощение метода и процедуры обработки мезопористого углеродного материала «Сибунит-4», использование нетоксического окислителя, отсутствие стадии отмывки углеродного материала от окислителя. Размер частиц катализатора составляет 56-94 мкм. Площадь удельной поверхности (S_BET), определяемая методом низкотемпературной адсорбции азота, находится в диапазоне 300-500 м²/г, объем мезопор в диапазоне - 0,3-0,5 см³/г. Концентрация кислотных групп, которую определяли кислотно-основным титрованием гидроксида натрия, находится в диапазоне 0,1-0,4 ммол. г^-1.The resulting mechanically activated cellulose is subjected to catalytic hydrolysis-dehydration. For such hydrolysis, heterogeneous catalysts such as zeolites, ion exchange resins, heteropolyacid salts, transition metal oxides can be used, but carbon materials (activated carbon, pyrolytic carbon, carbon nanotubes) seem to be the most promising catalysts. The mesoporous carbon material Sibunit-4 has a fairly developed surface, thermal stability and high mechanical strength. The surface of Sibunit-4 is modified by oxidation with a moist air mixture at a temperature of 450 ° C in order to increase the acidity of the carbon material [8]. Such an oxidation method has advantages, such as simplification of the method and processing procedures for the Sibunit-4 mesoporous carbon material, the use of a non-toxic oxidizing agent, and the absence of a stage for washing the carbon material from the oxidizing agent. The particle size of the catalyst is 56-94 microns. The specific surface area (S _BET ), determined by the method of low-temperature nitrogen adsorption, is in the range of 300-500 m ² / g, the mesopore volume is in the range of 0.3-0.5 cm ³ / g. The concentration of acid groups, which was determined by acid-base titration of sodium hydroxide, is in the range of 0.1-0.4 mmol. g ^-1 .

Реакцию гидролиза активированной целлюлозы проводят при температуре 180°С и давлении аргона 1 МПа, в автоклаве при перемешивании 1500 об/мин в течение 5 ч. Содержание мехактивированной целлюлозы и катализатора составляет 10 г/л. Продукты реакции анализируют методом ВЭЖХ. В результате реакции целевыми продуктами являются 5-ГМФ (до 23 мол.%), преимущественно в диапазоне 6.94-10.91 мол.% и глюкоза (до 45 мол.%) [8], преимущественно 20.10-25.92 мол.%, также в небольших количествах образуются манноза, фруктоза, целлобиоза, фурфурол, муравьиная, молочная, гликолевая, винная кислоты в концентрациях в диапазоне 1,23-1,54, 0,89-1,18, 0,5-0,55, 0,64-0,97, 0,45-0,7, 0,99-1,34, 0,65-1,03, 0,56-0,85 мол.%, соответственно.The hydrolysis of activated cellulose is carried out at a temperature of 180 ° C and an argon pressure of 1 MPa, in an autoclave with stirring at 1500 rpm for 5 hours. The content of mechanically activated cellulose and catalyst is 10 g / L. The reaction products are analyzed by HPLC. As a result of the reaction, the target products are 5-GMF (up to 23 mol.%), Mainly in the range of 6.94-10.91 mol.% And glucose (up to 45 mol.%) [8], mainly 20.10-25.92 mol.%, Also in small in quantities mannose, fructose, cellobiose, furfural, formic, lactic, glycolic, tartaric acids are formed in concentrations in the range of 1.23-1.54, 0.89-1.18, 0.5-0.55, 0.64- 0.97, 0.45-0.7, 0.99-1.34, 0.65-1.03, 0.56-0.85 mol%, respectively.

5-ГМФ, образовавшийся в процессе каталитического гидролиза-дегидратации целлюлозы, извлекают из смеси методом экстракции органическими растворителями. В качестве экстрагентов используют следующие растворители: изобутанол, бутанол-1, бутанол-2, диэтиловый эфир, метилизобутилкетон, этилацетат, тетрагидрофуран, но преимущественно изобутанол. После трехкратной экстракции и упаривания при температуре (60-100°С) концентрация глюкозы в растворе составляет (10-100 г/л), а 5-ГМФ (0.5-10 г/л). Низкая концентрация 5-ГМФ и фурфурола позволяет проводить ферментацию с использованием микроорганизмов.5-GMF, formed during the catalytic hydrolysis-dehydration of cellulose, is extracted from the mixture by extraction with organic solvents. The following solvents are used as extractants: isobutanol, butanol-1, butanol-2, diethyl ether, methyl isobutyl ketone, ethyl acetate, tetrahydrofuran, but mainly isobutanol. After three times extraction and evaporation at a temperature (60-100 ° С), the glucose concentration in the solution is (10-100 g / l), and 5-GMP (0.5-10 g / l). A low concentration of 5-GMF and furfural allows for fermentation using microorganisms.

Для получения ферментационной среды в среду добавляют минеральные соли и дрожжевой экстракт в концентрации 1.0 г/л и титруют до необходимого рН с использованием NaOH, Са(ОН)₂ или аммиака, предпочтительно используют аммиак. Для ферментации используют рН среды 3.0-7.0, преимущественно рН 4.5-5.5.To obtain a fermentation medium, mineral salts and yeast extract are added to the medium at a concentration of 1.0 g / l and titrated to the desired pH using NaOH, Ca (OH) ₂ or ammonia, ammonia is preferably used. For fermentation using a pH of 3.0-7.0, mainly pH 4.5-5.5.

Для ферментации сахаров используют термотолерантные дрожжи, включающие, но не ограниченные видами Debaryomyces hansenii, Kluyveromyces bulgaricus, Kluyveromyces marxianus, Ogataea polymorpha, Ogataea parapolymorpha, Cryptococcus tepidarius, Pichia thermomethanolica, Candida krabiensis, Candida sithepensis. Преимущественно используют штамм термотолерантных дрожжей Kluyveromyces marxianus ВКПМ Y-4290. Данные дрожжи растут при температурах 30-50°С как аэробно, так и анаэробно. Для ферментации используют смесь, содержащую сахара, получаемые при каталитическом гидролизе-дегидратиции целлюлозы, преимущественно (но не ограничиваясь) глюкозу, маннозу, сахарозу и целлобиозу или их комбинации. Ферментацию дрожжей Kluyveromyces marxianus ВКПМ Y-4290 проводят в среде, содержащей упаренный и нейтрализованный аммиаком до рН 4.0-6.5 гидролизат со смесью сахаров в количестве 10-100 г/л в анаэробных условиях при температурах 37-50°С. Специфическая скорость роста составляет 0.06±0.0 ч^-1. Выход этанола от теоретического составляет 50-72%.For fermentation of sugars, thermotolerant yeast is used, including but not limited to the species Debaryomyces hansenii, Kluyveromyces bulgaricus, Kluyveromyces marxianus, Ogataea polymorpha, Ogataea parapolymorpha, Cryptococcus tepidarius, Pichia thermomethiensidae, Candida Candida, Candida. Preferably, the thermotolerant yeast strain Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290 is used. These yeast grow at temperatures of 30-50 ° C both aerobically and anaerobically. For fermentation use a mixture containing sugars obtained by catalytic hydrolysis-dehydration of cellulose, mainly (but not limited to) glucose, mannose, sucrose and cellobiose, or combinations thereof. Fermentation of the yeast Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290 is carried out in a medium containing evaporated and neutralized with ammonia to pH 4.0-6.5 hydrolyzate with a mixture of sugars in an amount of 10-100 g / l under anaerobic conditions at temperatures of 37-50 ° C. The specific growth rate is 0.06 ± 0.0 h ^-1 . The yield of theoretical ethanol is 50-72%.

Преимуществами предлагаемого способа получения этанола из целлюлозы являются:The advantages of the proposed method for producing ethanol from cellulose are:

1. Предлагаемый способ позволяет сократить количество образующихся отходов (в том числе, сточных вод) по сравнению с химическим гидролизом и не использовать специальное оборудование (как для кислотного гидролиза целлюлозы).1. The proposed method allows to reduce the amount of waste generated (including wastewater) compared with chemical hydrolysis and not to use special equipment (as for acid hydrolysis of cellulose).

2. Для ферментации в этанол используется смесь сахаров, являющиеся побочным продуктом получения 5-ГМФ.2. For fermentation into ethanol, a mixture of sugars is used, which is a by-product of the production of 5-GMF.

3. Для ферментации используются непатогенные термотолерантные дрожжи Kluyveromyces marxianus ВКПМ Y-4290, что позволяет снизить затраты на охлаждение ферментационной жидкости и снизить рост побочной микрофлоры при ферментации.3. Non-pathogenic thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290 is used for fermentation, which reduces the cost of cooling the fermentation liquid and reduces the growth of incidental microflora during fermentation.

4. В процессе ферментации достигается высокий выход этанола от теоретического значения (до 72%).4. In the fermentation process, a high yield of ethanol from the theoretical value (up to 72%) is achieved.

Изобретение далее иллюстрируются следующим примером, который не ограничивают объем и сущность притязаний, связанных с ними.The invention is further illustrated by the following example, which does not limit the scope and essence of the claims associated with them.

Пример 1. Каталитический гидролиз-дегидратация целлюлозыExample 1. Catalytic hydrolysis-dehydration of cellulose

Механическую активацию кристаллической целлюлозы (фракция <0.1 мм, ЗАО Вектон, Санкт-Петербург) проводят в планетарной мельнице дискретного действия при 22 g и массе загружаемой целлюлозы 15 г. Размер получаемых частиц по данным световой микроскопии составляет 22,3±8 мкм. Степень кристалличности частиц целлюлозы измеренная по методу [9] с использованием рентгенофазового анализа с излучением CuK_α (λ=1.5418

) при сканировании по точкам с интервалом 0.05° в диапазоне 20 от 10 до 40°, составляет 36%.The mechanical activation of crystalline cellulose (fraction <0.1 mm, CJSC Vecton, St. Petersburg) is carried out in a discrete planetary mill at 22 g and a loaded pulp mass of 15 g. The size of the obtained particles according to light microscopy is 22.3 ± 8 μm. The degree of crystallinity of the cellulose particles measured according to the method of [9] using x-ray phase analysis with radiation CuK _α (λ = 1.5418

) when scanning at points with an interval of 0.05 ° in the range of 20 from 10 to 40 °, is 36%.

Для проведения реакции каталитического гидролиза механически активированную целлюлозу и углеродный катализатор Сибунит-4, окисленный влажной воздушной смесью (Сибунит-4-ox) при 450°С [8], в концентрации 10 г/л помещают в реактор-автоклав, оснащенный мешалкой с магнитным приводом, системой нагрева и поддержания температуры (время достижения температуры составляет примерно 30 мин), выдерживают при интенсивном перемешивании (1500 об/мин) в течение 5 ч. Пробы центрифугируют при 14500 об/мин в течение 5 мин для отделения катализатора и непрореагировавшей целлюлозы от продуктов реакции, а затем фильтруют через фильтр из ацетат-целлюлозы с диаметром пор 0,2 мкм. Затем проводят анализ смеси с использованием хроматографа Shimadzu LC-20AD XR LC на колонке Rezex ROA-Organic Acid Н+300×7.8 мм (Phenomenex). В качестве мобильной фазы используют 0.00125 Н серную кислоту в воде. Скорость потока подвижной фазы составляет 0.6 мл мин^-1, время анализа - 1 ч 40 мин, температура колонки - 40°С. Состав продуктов реакции приведен в таблице 1.To carry out the catalytic hydrolysis reaction, mechanically activated cellulose and the Sibunit-4 carbon catalyst, oxidized with a moist air mixture (Sibunit-4-ox) at 450 ° C [8], are placed in a concentration of 10 g / l in an autoclave reactor equipped with a magnetic stirrer drive, heating system and maintaining the temperature (the time to reach the temperature is about 30 minutes) is kept under vigorous stirring (1500 rpm) for 5 hours. The samples are centrifuged at 14500 rpm for 5 minutes to separate the catalyst and unreacted cellulose from the reaction products, and then filtered through an acetate-cellulose filter with a pore diameter of 0.2 μm. The mixture is then analyzed using a Shimadzu LC-20AD XR LC chromatograph on a Rezex ROA-Organic Acid H + 300 × 7.8 mm column (Phenomenex). 0.00125 N sulfuric acid in water is used as the mobile phase. The flow rate of the mobile phase is 0.6 ml min ^-1 , the analysis time is 1 h 40 min, and the column temperature is 40 ° C. The composition of the reaction products are shown in table 1.

Далее осуществляют экстракцию 5-ГМФ и подготовку каталитического гидролизата целлюлозы к ферментацииNext, 5-GMF is extracted and the catalytic cellulose hydrolyzate is prepared for fermentation

Полученный раствор предварительно фильтруют, затем упаривают на ротационном испарителе при температуре 70°С, после чего добавляют один объем растворителя, тщательно перемешивают и отбирают водную часть. Экстракцию повторяют три раза. Смесь анализируют методом ВЭЖХ, результаты экстракции различными растворителями приведены в таблице 2.The resulting solution was pre-filtered, then evaporated on a rotary evaporator at a temperature of 70 ° C, after which one volume of solvent was added, thoroughly mixed and the aqueous part was selected. The extraction is repeated three times. The mixture was analyzed by HPLC, the results of extraction with various solvents are shown in table 2.

В дальнейшем для экстракции 5-ГМФ используют изобутанол, обладающий высокой эффективностью экстракции этого вещества. Органические фракции, полученные после экстракции изобутанолом, соединяют и полученный раствор перегоняют под вакуумом (2 мм рт.ст.). Водный раствор повторно упаривают, добавляют соли: KH₂PO₄ 1.0 г/л, MgSO₄ 0.5 г/л, NaCl 0.1 г/л, CaCl₂ 0.1 г/л, (NH₄)₂SO₄ 5.0 г/л и дрожжевой экстракт 1.0 г/л. Затем проводят нейтрализацию раствора соответствующим раствором аммиака до значения рН 4.75 и анализируют состав смеси методом ВЭЖХ, результаты приведены в таблице 3. После перегонки под вакуумом получают 1.2 г 5-ГМФ с выходом 7.2 мас.%.Further, for the extraction of 5-GMF, isobutanol is used, which has a high extraction efficiency of this substance. The organic fractions obtained after extraction with isobutanol are combined and the resulting solution is distilled under vacuum (2 mmHg). The aqueous solution is reevaporated, salts are added: KH ₂ PO ₄ 1.0 g / l, MgSO ₄ 0.5 g / l, NaCl 0.1 g / l, CaCl ₂ 0.1 g / l, (NH ₄ ) ₂ SO ₄ 5.0 g / l and yeast extract 1.0 g / l. Then, the solution is neutralized with an appropriate ammonia solution to a pH of 4.75 and the mixture is analyzed by HPLC, the results are shown in table 3. After distillation under vacuum, 1.2 g of 5-GMF are obtained with a yield of 7.2 wt.%.

Затем осуществляют ферментацию сахаров, полученных путем каталитического гидролиза-дегидратации целлюлозы, в этанол.Then carry out the fermentation of sugars obtained by catalytic hydrolysis-dehydration of cellulose into ethanol.

Смесь, полученную после экстракции изобутанолом, упаривания и нейтрализации, используют для ферментации в этанол штаммом дрожжей К. marxianus ВКПМ Y-4290.The mixture obtained after extraction with isobutanol, evaporation and neutralization is used for fermentation into ethanol with the yeast strain K. marxianus VKPM Y-4290.

Штамм дрожжей К. marxianus ВКПМ Y-4290 культивируют на агаризованной среде YPD при температуре 42°С в течение 3 сут. Среду с минеральными солями, содержащую дополнительно 5.0 г/л пептона, 3.0 г/л дрожжевого экстракта и смесь Сахаров в концентрациях, соответствующих концентрации Сахаров в нейтрализованном и экстрагированном гидролизате титруют аммиаком до рН 4.75. Для проведения ферментации колонию дрожжей вносят в 10 мл этой среды, культивирование проводят аэробно при 42°С на скорости 250 об/мин до оптической плотности, равной 1.0 при 565 нм. Затем клетки отделяют центрифугированием при 500×g 10 мин, и вносят их в количестве 1.0 г/л в 10 мл гидролизата, полученного выше. Культивирование проводят в герметичных колбах объемом 25 мл, анаэробно при перемешивании 100 об/мин при 42°С. В течение эксперимента оценивают сухую биомассу клеток путем измерения оптической плотности клеточной суспензии при 595 нм и конвертации полученных значений в количество г/л сухой биомассы, согласно калибровочной кривой. Также анализируют состав культуральной жидкости методом ВЭЖХ (Фиг.).The yeast strain K. marxianus VKPM Y-4290 was cultured on YPD agar medium at a temperature of 42 ° C for 3 days. A medium with mineral salts, containing an additional 5.0 g / l peptone, 3.0 g / l yeast extract and a mixture of sugars in concentrations corresponding to the concentration of sugars in the neutralized and extracted hydrolyzate, is titrated with ammonia to pH 4.75. For fermentation, a yeast colony is introduced into 10 ml of this medium, cultivation is carried out aerobically at 42 ° C at a speed of 250 rpm to an optical density of 1.0 at 565 nm. Then the cells are separated by centrifugation at 500 × g for 10 min, and they are added in an amount of 1.0 g / l in 10 ml of the hydrolyzate obtained above. The cultivation is carried out in sealed flasks with a volume of 25 ml, anaerobically with stirring 100 rpm at 42 ° C. During the experiment, dry cell biomass is evaluated by measuring the optical density of the cell suspension at 595 nm and converting the obtained values to the amount of g / l of dry biomass according to the calibration curve. Also analyze the composition of the culture fluid by HPLC (Fig.).

В процессе ферментации экстрагированных катлитических гидролизатов целлюлозы штаммом дрожжей Kluyveromyces marxianus ВКПМ Y-4290 наблюдается продукция этанола при потреблении преимущественно трех сахаров - глюкозы, маннозы и фруктозы. Штамм Kluyveromyces marxianus ВКПМ Y-4290 также обладает способностью ассимилировать все три сахара в течение всей ферментации, выход биомассы по ферментируемым сахарам 0.11±0.01 г/г, выход этанола по ферментируемым сахарам - 0.34±0.02 г/г, специфическая скорость роста 0.06±0.01 ч^-1. Выход этанола в процентах от теоретического (максимальный теоретический выход этанола был принят как 0.521 г/г ферментируемых сахаров, в т.ч. глюкозы, маннозы и фруктозы) составляет 72.0±5.7%.During the fermentation of extracted catalytic cellulose hydrolysates with the yeast strain Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290, ethanol production is observed when mainly three sugars are consumed - glucose, mannose and fructose. The strain Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290 also has the ability to assimilate all three sugars during the entire fermentation, the biomass yield for fermentable sugars is 0.11 ± 0.01 g / g, the ethanol yield for fermentable sugars is 0.34 ± 0.02 g / g, a specific growth rate of 0.06 ± 0.01 h ^-1 . The ethanol yield as a percentage of the theoretical (the maximum theoretical ethanol yield was taken as 0.521 g / g of fermentable sugars, including glucose, mannose and fructose) is 72.0 ± 5.7%.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Н.В. Громов, О.П. Таран, К.Н. Сорокина, Т.И. Мищенко, Шивакумар Утанди, В.Н. Пармон. Новые методы одностадийной переработки полисахаридных компонентов лигноцеллюлозной биомассы (целлюлозы и гемицеллюлоз) в ценные продукты часть 1. Методы активации биомассы. // Катализ в промышленности. 2016. №1. С. 74-83.1. N.V. Gromov, O.P. Taran, K.N. Sorokina, T.I. Mishchenko, Shivakumar Utandi, V.N. Parmon. New methods of one-stage processing of polysaccharide components of lignocellulosic biomass (cellulose and hemicelluloses) into valuable products. Part 1. Methods of biomass activation. // Catalysis in industry. 2016. No1. S. 74-83.

2. Технология гидролизных производств Автор: Холькин Ю.И. Издательство: М.: Лесная промышленность Год издания: 1989. Страницы: 496.2. Technology of hydrolysis production Author: Kholkin Yu.I. Publisher: M .: Forestry Year of publication: 1989. Pages: 496.

3. Патент ЕР 1130085 A1. C12N 1/16, C12N 1/22, C12N 9/42, С12Р 7/10, Procedure for the production of ethanol from lignocellulosic biomass using a new heat-tolerant yeast. 05.09.2001.3. Patent EP 1130085 A1. C12N 1/16, C12N 1/22, C12N 9/42, C12P 7/10, Procedure for the production of ethanol from lignocellulosic biomass using a new heat-tolerant yeast. 09/05/2001.

4. Патент US 8268600 B2. C12P 7/10, C12P 7/06. Strain and a novel process for ethanol production from lignocellulosic biomass at high temperature. 18.09.2012.4. Patent US 8268600 B2. C12P 7/10, C12P 7/06. Strain and a novel process for ethanol production from lignocellulosic biomass at high temperature. 09/18/2012.

5. M. Goswami, S. Meena, S. Navatha, K.N. Prasanna Rani, A. Pandey, R.K. Sukumaran, R.B. Prasad, B.L. Prabhavathi Devi.Hydrolysis of biomass using a reusable solid carbon acid catalyst and fermentation of the catalytic hydrolysate to ethanol. // Bioresour. Technol. - 2015. V. 188. P. 99-102.5. M. Goswami, S. Meena, S. Navatha, K.N. Prasanna Rani, A. Pandey, R.K. Sukumaran, R.B. Prasad, B.L. Prabhavathi Devi.Hydrolysis of biomass using a reusable solid carbon acid catalyst and fermentation of the catalytic hydrolysate to ethanol. // Bioresour. Technol. - 2015.V. 188.P. 99-102.

6. B.L.A. Prabhavathi Devi, K.N. Gangadhar, P.S. Sai Prasad, B. Jagannadh, R.B.N. Prasad A glycerol-based carbon catalyst for the preparation of biodiesel // Chem. Sus. Chem., - 2009. V. 2, P. 617-620.6. B.L.A. Prabhavathi Devi, K.N. Gangadhar, P.S. Sai Prasad, B. Jagannadh, R.B.N. Prasad A glycerol-based carbon catalyst for the preparation of biodiesel // Chem. Sus. Chem., - 2009. V. 2, P. 617-620.

7. N.V. Gromov, O.P. Taran, D.A. Yatsenko, A.B. Ayupov, A. Loppinet-Serani, C. Aymonier, V.E. Agabekov Development of Sulfonated Catalysts Based on Graphite-Like Carbon Sibunit for Cellulose Hydrolysis // Journal Siberian Federal University. Chemistry. 2014 7 (1) 87-99. N.7. N.V. Gromov, O.P. Taran, D.A. Yatsenko, A.B. Ayupov, A. Loppinet-Serani, C. Aymonier, V.E. Agabekov Development of Sulfonated Catalysts Based on Graphite-Like Carbon Sibunit for Cellulose Hydrolysis // Journal Siberian Federal University. Chemistry. 2014 7 (1) 87-99. N.

8. V. Gromov, A.B. Ayupov, C. Aymonier, V. A. Agabekov, O. P. Taran Development of Solid Acid Catalysts Based on Sibunit Carbon Material for Cellulose Transformation into 5-hydroxymethilfurfural // Journal Siberian Federal University. Chemistry 2014 7 (4). 597-609.8. V. Gromov, A.B. Ayupov, C. Aymonier, V. A. Agabekov, O. P. Taran Development of Solid Acid Catalysts Based on Sibunit Carbon Material for Cellulose Transformation into 5-hydroxymethilfurfural // Journal Siberian Federal University. Chemistry 2014 7 (4). 597-609.

9. S. Park, J.O. Baker, M.E. Himmel, P.A. Parilla, D.K. Johnson. Cellulose crystallinity index: measurement techniques and their impact on interpreting cellulase performance // Biotechnol. Biofuels. 2010 (3) Article 10.9. S. Park, J.O. Baker, M.E. Himmel, P.A. Parilla, D.K. Johnson. Cellulose crystallinity index: measurement techniques and their impact on interpreting cellulase performance // Biotechnol. Biofuels. 2010 (3) Article 10.

Claims

1. The method of producing ethanol and 5-hydroxymethylfurfural from mechanically activated microcrystalline cellulose by catalytic hydrolysis-dehydration using a modified heterogeneous catalyst, which is a carbon material "Sibunit-4", followed by extraction of the obtained 5-hydroxymethylfurfural - 5-HMF with a solvent and fermentation of sugars formed during the catalytic hydrolysis of activated microcrystalline cellulose into ethanol using thermotolerant yeast K luyveromyces marxianus.

2. The method according to p. 1, characterized in that microcrystalline cellulose with a fraction size of 79-149 μm, mainly 114 ± 35 μm, a crystallinity index of 80-92% is used as a raw material.

3. The method according to p. 2, characterized in that before the catalytic hydrolysis-dehydration of microcrystalline cellulose carry out its activation, mainly mechanical, where a planetary mill of discrete action is used, the size of the resulting particles is 1-140 microns, mainly 22.3 ± 8 microns, and the crystallinity of the sample is in the range of 30-50%.

4. The method according to p. 1, characterized in that the carbon material "Sibunit-4" is modified by oxidation with a moist air mixture at a temperature of 400-500 ° C, mainly at 450 ° C, the particle size of the catalyst is 0.05-10 mm, predominantly 56-94 μm, the specific surface area S _BET , determined by low-temperature nitrogen adsorption, is in the range of 300-500 m ² / g, the mesopore volume is in the range of 0.3-0.5 cm ³ / g, the concentration of acid groups is 0.1-0.5 mmol g ^-1 .

5. The method according to p. 1, characterized in that the hydrolysis-dehydration reaction of activated microcrystalline cellulose is carried out at a temperature of 150-250 ° C, mainly at 180 ° C and an argon pressure of 1 MPa.

6. The method according to p. 1, characterized in that the extraction of 5-hydroxymethylfurfural 5-GMF is carried out with solvents such as: isobutanol, 1-butanol, diethyl ether, methyl isobutyl ketone, ethyl acetate, tetrahydrofuran, 2-butanol, mainly isobutanol.

7. The method according to p. 1, characterized in that in order to obtain a fermentation medium in the extracted catalytic hydrolyzate of mechanically activated microcrystalline cellulose add mineral salts (g / l), including, but not limited to: KH ₂ PO ₄ 1.0, MgSO ₄ 0.5 , NaCl 0.1, CaCl ₂ 0.1, (NH ₄ ) ₂ SO ₄ 5.0) with 5.0 g / L and yeast extract at a concentration of 1.0 g / L, and titrated to the desired pH using a base, including, but not limited to: NaOH , Ca (OH) ₂ or ammonia, preferably ammonia, fermentation using a pH of 3.0-7.0, preferably pH 4.5-5.5.

8. The method according to p. 1, characterized in that for the fermentation of the extracted catalytic hydrolyzate of the mechanically activated microcrystalline cellulose using thermo-tolerant yeast Kluyveromyces marxianus, mainly strain Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290.

9. The method according to p. 8, characterized in that the fermentation of the mixture is carried out with the yeast Kluyveromyces marxianus VKPM Y-4290 in a medium containing a catalytic hydrolyzate of activated microcrystalline cellulose evaporated and neutralized with ammonia to a pH of 4.0-6.5, where the sugar concentration is 10-100 g / l in anaerobic conditions.

10. The method according to p. 1, characterized in that the fermentation is carried out at a temperature of 30-50 ° C, mainly 37-50 ° C.

11. The method according to p. 1, characterized in that for fermentation using a mixture containing sugars obtained by hydrolysis of cellulose, mainly, but not limited to, glucose, mannose, sucrose and cellobiose, or combinations thereof.