RU2701643C1 - Method of producing bioethanol from cellulose-containing material - Google Patents
Method of producing bioethanol from cellulose-containing material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2701643C1 RU2701643C1 RU2018134393A RU2018134393A RU2701643C1 RU 2701643 C1 RU2701643 C1 RU 2701643C1 RU 2018134393 A RU2018134393 A RU 2018134393A RU 2018134393 A RU2018134393 A RU 2018134393A RU 2701643 C1 RU2701643 C1 RU 2701643C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bioethanol
- enzymatic hydrolysis
- substrate
- ethanol
- stage
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
- C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
- C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Abstract
Description
Изобретение относится к биотехнологической промышленности, а именно к способам получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья.The invention relates to the biotechnology industry, and in particular to methods for producing bioethanol from cellulose-containing raw materials.
В настоящее время в России и за рубежом биоэтанол производится в основном из пищевого сахаро- и крахмалсодержащего сырья, что негативно отражается на себестоимости продукта и отрицательно влияет на продовольственную безопасность стран. Благодаря обилию, низкой стоимости и высокому содержанию углеводов растительное целлюлозосодержащее сырье (отходы агропромышленного комплекса, энергетические культуры) является перспективным источником для деполимеризации и биоконверсии с получением биоэтанола.At present, in Russia and abroad, bioethanol is produced mainly from edible sugar and starch-containing raw materials, which negatively affects the cost of the product and negatively affects the food security of countries. Due to the abundance, low cost and high content of carbohydrates, plant cellulose-containing raw materials (agricultural wastes, energy crops) are a promising source for depolymerization and bioconversion to produce bioethanol.
Технология получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья состоит из четырех основных стадий: предварительной физико-химической обработки сырья, ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата, сбраживания этанолсинтезирующими микроорганизмами моносахаридов ферментативного гидролизата, выделения биоэтанола. Стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения могут проводиться совместно.The technology for producing bioethanol from cellulose-containing raw materials consists of four main stages: preliminary physicochemical processing of the raw materials, enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicelluloses of the obtained substrate, fermentation of monosaccharides of the enzymatic hydrolyzate by ethanol-synthesizing microorganisms, and isolation of bioethanol. The stages of enzymatic hydrolysis and alcohol fermentation can be carried out together.
Изучение уровня техники выявило сходные по своей сути известные технические решения.A study of the prior art revealed similar inherently known technical solutions.
Известен способ получения биоэтанола по патенту РФ №2421521 (дата публикации 20.06.2011 г.), включающий предварительную обработку морских водорослей, ферментативный гидролиз, осуществление процесса брожения с помощью этанолсинтезирующих дрожжей и выделение биоэтанола.A known method of producing bioethanol according to the patent of the Russian Federation No. 2421521 (publication date 06/20/2011), including pre-treatment of algae, enzymatic hydrolysis, the implementation of the fermentation process using ethanol-synthesizing yeast and the release of bioethanol.
Основным и главным недостатком описанного технического решения является ограниченная сырьевая база, для успешной и рентабельной работы производственные мощности целесообразно располагать только вблизи водоемов.The main and main drawback of the described technical solution is the limited raw material base; for successful and cost-effective work, it is advisable to locate production facilities only near water bodies.
В патенте РФ №2284355 (дата публикации 27.09.2006 г.) предлагается способ получения этанола из растительного сырья, включающий гидролиз растительного сырья серной кислотой, нейтрализацию гидролизата аммиачной водой, аэробно-спиртовое брожение, ректификацию спиртовой бражки, утилизацию отходов.RF patent No. 2284355 (publication date September 27, 2006) proposes a method for producing ethanol from plant materials, including hydrolysis of plant materials with sulfuric acid, neutralization of the hydrolyzate with ammonia water, aerobic-alcoholic fermentation, distillation of alcohol mash, waste disposal.
Основным недостатком вышеописанного способа получения этанола является деградация сахаров в реакции гидролиза и образование нежелательных побочных продуктов, это не только снижает выход сахаров, но и некоторые из побочных продуктов также сильно ингибируют образование этанола в ходе спиртового брожения, концентрация этанола в бражке очень низка.The main disadvantage of the above method for producing ethanol is the degradation of sugars in the hydrolysis reaction and the formation of undesirable by-products, this not only reduces the yield of sugars, but some of the by-products also strongly inhibit the formation of ethanol during alcoholic fermentation, the concentration of ethanol in the mash is very low.
В публикации [Unrean, P. Systematic optimization of fed-batch simultaneous saccharification and fermentation at high-solid loading based on enzymatic hydrolysis and dynamic metabolic modeling of Saccharomyces cerevisiae / P. Unrean, S. Khajeeram, K. Laoteng // Appl Microbiol Biotechnol. 2016. №100. C. 2459-2470] описан способ получения биоэтанола из предварительно обработанного растительного сырья - багассы (отхода сахарного тростника) - проведением одновременного ферментативного гидролиза и спиртового брожения с подпиткой.In publication [Unrean, P. Systematic optimization of fed-batch simultaneous saccharification and fermentation at high-solid loading based on enzymatic hydrolysis and dynamic metabolic modeling of Saccharomyces cerevisiae / P. Unrean, S. Khajeeram, K. Laoteng // Appl Microbiol Biotechnol . 2016. No100. C. 2459-2470] describes a method for producing bioethanol from pre-processed plant materials - bagasse (sugar cane waste) - by simultaneous enzymatic hydrolysis and alcohol fermentation with water.
К недостаткам способа следует отнести: неэффективность предварительной обработки сырья, дающей субстрат с содержанием целлюлозы всего 37,6%, гемицеллюлоз 23,5%; добавление в реакционную массу довольно большого объема мелассы (10%), которая могла быть более рационально использована в пищевой, кормовой и микробиологической промышленности. Кроме того, получение биоэтанола, например, в России по данному способу невозможно, так как используемое сырье является экзотическим в силу климатических условий страны.The disadvantages of the method include: the inefficiency of the preliminary processing of raw materials, giving a substrate with a cellulose content of only 37.6%, hemicellulose 23.5%; adding a rather large volume of molasses to the reaction mass (10%), which could be more rationally used in the food, feed and microbiological industries. In addition, obtaining bioethanol, for example, in Russia by this method is impossible, since the raw materials used are exotic due to the climatic conditions of the country.
По части ферментативного гидролиза известен способ получения высококонцентрированных растворов глюкозы из целлюлозосодержащего сырья по патенту РФ №2624668 (дата публикации 05.07.2017 г.), включающий предварительную обработку сырья и последующий ферментативный гидролиз. В способе предлагается проводить ферментативный гидролиз при концентрации субстрата 250-300 г/дм3 с внесением свежей порции субстрата каждые 2-8 ч и отводом глюкозы с помощью мембранной фильтрации.Regarding enzymatic hydrolysis, a method is known for producing highly concentrated glucose solutions from cellulose-containing raw materials according to RF patent No. 2624668 (publication date July 5, 2017), including preliminary processing of the raw material and subsequent enzymatic hydrolysis. The method proposes to carry out enzymatic hydrolysis at a substrate concentration of 250-300 g / dm 3 with the introduction of a fresh portion of the substrate every 2-8 hours and the removal of glucose using membrane filtration.
Недостатки описанного способа в следующем: дороговизна отвода глюкозы с помощью мембранной фильтрации; нужны особенные условия хранения раствора глюкозы; большие трудозатраты, возникающие из-за необходимости перекачки раствора глюкозы в другой ферментер для использования в качестве питательной среды для биосинтеза этанола и других продуктов микробного метаболизма.The disadvantages of the described method are as follows: the high cost of glucose withdrawal using membrane filtration; special storage conditions for glucose solution are needed; large labor costs arising from the need to transfer the glucose solution to another fermenter for use as a nutrient medium for the biosynthesis of ethanol and other products of microbial metabolism.
Наиболее близким и потому принятым за прототип является способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья по патенту РФ №2593724 (дата публикации 10.08.2016 г.), включающий предварительную обработку сырья, совмещенные стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки.The closest and therefore adopted as a prototype is a method for producing bioethanol from cellulose-containing raw materials according to the patent of the Russian Federation No. 2593724 (publication date 08/10/2016), including preliminary processing of raw materials, combined stages of enzymatic hydrolysis and alcoholic fermentation, separation of bioethanol from mash.
Основным и главным недостатком описанного способа является относительно низкий выход биоэтанола и, как следствие, нерентабельность его дистилляции из бражки и ректификации.The main and main disadvantage of the described method is the relatively low yield of bioethanol and, as a consequence, the unprofitability of its distillation from mash and rectification.
Задачей предлагаемого технического решения является создание более рентабельного способа получения биоэтанола из быстровозобновляемого целлюлозосодержащего сырья с повышенным выходом продукта и минимизацией затрат на стадиях дистилляции и ректификации биоэтанола.The objective of the proposed technical solution is to create a more cost-effective method of producing bioethanol from rapidly renewable cellulose-containing raw materials with an increased yield of the product and minimizing costs at the stages of distillation and rectification of bioethanol.
Поставленная задача решается предлагаемым способом получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья, который включает предварительную обработку целлюлозосодержащего сырья разбавленным раствором кислоты с концентрацией 1-12% при атмосферном давлении, совмещенную стадию ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки; при этом на стадии ферментативного гидролиза при начальной концентрации сухих веществ 6-9% достигают общей концентрации сухих веществ 15-27% порционным внесением субстрата и ферментных препаратов с интервалом 4-8 ч, и стадию проводят до момента конверсии субстрата в редуцирующие вещества на 40-50%, после чего вносят посевной материал этанолсинтезирующих микроорганизмов, стимуляторы биосинтеза этанола и проводят спиртовое брожение, совмещенное с ферментативным гидролизом. Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что на стадии ферментативного гидролиза при начальной концентрации сухих веществ 6-9% достигают общей концентрации сухих веществ 15-27% порционным внесением субстрата и ферментных препаратов с интервалом 4-8 ч, при этом стадию проводят до момента конверсии субстрата в редуцирующие вещества на 40-50%, после чего вносят посевной материал этанолсинтезирующих микроорганизмов, стимуляторы биосинтеза этанола и проводят спиртовое брожение, совмещенное с ферментативным гидролизом. Известно, что получить биоэтанол из целлюлозосодержащего сырья с высоким выходом довольно проблематично и очевидным решением является увеличение концентрации субстрата, но, как правило, эффективность биоконверсии целлюлозы при ферментативном гидролизе уменьшается с увеличением концентрации субстрата ввиду реологических свойств реакционной массы (масса очень густая, процессы массо- и теплообмена идут медленно с низкой эффективностью). Эту проблему можно решить методом подпитки при применении правильно подобранной для конкретного субстрата технологической схемы.The problem is solved by the proposed method for producing bioethanol from cellulose-containing raw materials, which includes pre-treatment of cellulose-containing raw materials with a diluted acid solution with a concentration of 1-12% at atmospheric pressure, the combined stage of enzymatic hydrolysis and alcoholic fermentation, the separation of bioethanol from mash; moreover, at the stage of enzymatic hydrolysis at an initial concentration of solids of 6-9%, the total solids concentration of 15-27% is achieved by portioning the substrate and enzyme preparations with an interval of 4-8 hours, and the stage is carried out until the substrate is converted into reducing substances by 40- 50%, after which they make inoculum of ethanol-synthesizing microorganisms, stimulators of ethanol biosynthesis and carry out alcohol fermentation, combined with enzymatic hydrolysis. The claimed technical solution differs from the prototype in that at the stage of enzymatic hydrolysis at an initial concentration of solids of 6-9%, the total solids concentration of 15-27% is achieved by portioning the substrate and enzyme preparations with an interval of 4-8 hours, and the stage is carried out until the conversion of the substrate to reducing substances is 40-50%, after which the seed is introduced of ethanol-synthesizing microorganisms, ethanol biosynthesis stimulants and alcohol fermentation combined with enzymatic hydrolysis is carried out. It is known that obtaining bioethanol from cellulose-containing raw materials with high yields is rather problematic and the obvious solution is to increase the substrate concentration, but, as a rule, the efficiency of cellulose bioconversion during enzymatic hydrolysis decreases with increasing substrate concentration due to the rheological properties of the reaction mass (mass is very dense, mass and heat transfer is slow with low efficiency). This problem can be solved by the recharge method when using a correctly selected technological scheme for a particular substrate.
Также известны преимущества совмещения стадий ферментативного гидролиза и спиртового брожения. Совмещение стадий позволяет сократить общую продолжительность процесса; чем раньше будет внесен продуцент этилового спирта, тем выше будет микробиологическая стабильность процесса; при внесении продуцентов этилового спирта редуцирующие вещества начинают отводиться из системы и расходоваться на синтез биоэтанола, таким образом, равновесие ферментативной реакции гидролиза целлюлозы постоянно смещается в сторону образования продуктов реакции, этим достигается интенсификация процесса осахаривания. Такой процесс, как правило, начинается с отдельной стадии ферментативного гидролиза и заканчивается стадией совмещенного ферментативного гидролиза и спиртового брожения. Отдельная стадия ферментативного гидролиза представляет собой стадию частичного ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлоз субстрата, проводится с помощью ферментных препаратов целлюлазно-ксиналазно-глюканазного действия при перемешивании и оптимальных для действия ферментов температуре и активной кислотности. Так как ферментативный гидролиз различных по природе и способу предобработки субстратов идет с разной скоростью, в данном техническом решении предлагается продолжительность отдельной стадии ферментативного гидролиза определять по степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества.The advantages of combining the stages of enzymatic hydrolysis and alcoholic fermentation are also known. The combination of stages reduces the overall duration of the process; the sooner the producer of ethanol is introduced, the higher the microbiological stability of the process; when ethanol producers are introduced, reducing substances begin to be diverted from the system and spent on the synthesis of bioethanol, thus, the equilibrium of the enzymatic cellulose hydrolysis reaction is constantly shifted towards the formation of reaction products, thereby intensifying the saccharification process. Such a process, as a rule, begins with a separate stage of enzymatic hydrolysis and ends with the stage of combined enzymatic hydrolysis and alcohol fermentation. A separate stage of enzymatic hydrolysis is a stage of partial enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicellulose substrate, carried out using enzyme preparations of cellulase-xinalase-glucanase action with stirring and temperature and active acidity optimal for the action of enzymes. Since enzymatic hydrolysis of substrates of a different nature and method of pretreatment proceeds at different rates, this technical solution proposes the duration of a separate stage of enzymatic hydrolysis to be determined by the degree of conversion of the substrate to reducing substances.
Важно с посевным материалом этанолсинтезирующих микроорганизмов вносить в реакционную массу стимуляторы биосинтеза этанола, потому как гидролизаты из целлюлозосодержащего сырья обеднены некоторыми макро-, микроэлементами, витаминами, аминокислотами. В условиях недостатка азотного и фосфорного питания этанолсинтезирующие микроорганизмы, будучи автотрофами, способны самостоятельно синтезировать необходимые витамины, однако, при этом глюкоза будет расходоваться нецелевым образом, что приведет к снижению скорости биосинтеза этанола и его выхода. Самым простым технологическим решением представляется внесение питательных солей (сульфат или дигидрофосфат аммония, мочевина, монофосфат калия, сульфат магния, хлорид кальция). Другим доступным технологическим решением является добавление в гидролизаты не питательных солей, способствующих синтезу витаминов в клетках микроорганизмов, а непосредственно готовых витаминов, являющихся стимуляторами биосинтеза этанола. Главным критерием применения возможных добавок является экономическая целесообразность, поэтому в зависимости от рыночной стоимости имеет смысл вносить в питательную среду витамины, полученные химическим или микробиологическим способом, либо дрожжевой экстракт. Еще одним необходимым стимулятором биосинтеза этанола являются аминокислоты, самым дешевым источником которых могут служить пептон, дрожжевой экстракт, кукурузный экстракт, комплексные препараты аминокислот, полученные путем микробиологического синтеза, белково-витаминные концентраты и др.It is important to add stimulants of ethanol biosynthesis to the reaction mass with seeds of ethanol-synthesizing microorganisms, because hydrolysates from cellulose-containing raw materials are depleted in some macro-, microelements, vitamins, amino acids. In conditions of a lack of nitrogen and phosphorus nutrition, ethanol-synthesizing microorganisms, being autotrophs, are able to independently synthesize the necessary vitamins, however, while glucose will be consumed inappropriately, which will lead to a decrease in the rate of ethanol biosynthesis and its output. The simplest technological solution is the introduction of nutrient salts (ammonium sulfate or dihydrogen phosphate, urea, potassium monophosphate, magnesium sulfate, calcium chloride). Another available technological solution is to add to the hydrolyzates not nutrient salts that contribute to the synthesis of vitamins in the cells of microorganisms, but directly prepared vitamins, which are stimulants of ethanol biosynthesis. The main criterion for the use of possible additives is economic feasibility, therefore, depending on market value, it makes sense to introduce vitamins obtained by chemical or microbiological methods into the nutrient medium, or yeast extract. Another essential stimulator of ethanol biosynthesis are amino acids, the cheapest source of which can be peptone, yeast extract, corn extract, complex preparations of amino acids obtained by microbiological synthesis, protein-vitamin concentrates, etc.
Общая концентрация сухих веществ на стадии ферментативного гидролиза составляет 12-27%, этот интервал выбран исходя из следующего: если концентрация будет меньше 12%, то концентрация этанола в полученной бражке не превысит технический и экономический предел для дистилляции в промышленном масштабе; если концентрация сухих веществ будет больше 27%, то в силу реологических свойств высококонцентрированной суспензии будет затруднен массообмен, возможно субстратное ингибирование ферментов, необратимая адсорбция ферментов и этанолсинтезирующих микроорганизмов на субстрат, в результате чего будет недостижима высокая степень гидролиза субстрата и высокая концентрация этанола. Следует отметить, что при высоких концентрациях сухих веществ в реакционной массе применяются технологически устойчивые к повышенному осмосу этанолсинтезирующие микроорганизмы.The total concentration of solids at the stage of enzymatic hydrolysis is 12-27%, this interval is selected based on the following: if the concentration is less than 12%, then the concentration of ethanol in the resulting mash will not exceed the technical and economic limit for industrial distillation; if the solids concentration is more than 27%, then due to the rheological properties of the highly concentrated suspension, mass transfer will be difficult, substrate inhibition of enzymes is possible, irreversible adsorption of enzymes and ethanol-synthesizing microorganisms on the substrate, as a result of which a high degree of hydrolysis of the substrate and a high concentration of ethanol will be unattainable. It should be noted that at high concentrations of dry substances in the reaction mass, ethanol-synthesizing microorganisms that are technologically resistant to increased osmosis are used.
Временной интервал внесения порций субстрата и ферментных препаратов каждые 2-8 ч обусловлен следующим: при уменьшении этого интервала возникнут трудности с массообменом, а с увеличением этого интервала увеличится и общая продолжительность процесса получения биоэтанола, что, помимо экономических соображений, также чревато возможностью контаминации реакционной массы посторонней микрофлорой.The time interval for introducing portions of the substrate and enzyme preparations every 2-8 hours is due to the following: with a decrease in this interval, difficulties with mass transfer will arise, and with an increase in this interval, the overall duration of the bioethanol production process will increase, which, in addition to economic considerations, is also fraught with the possibility of contamination of the reaction mass extraneous microflora.
Стадия ферментативного гидролиза проводится до момента конверсии субстрата в редуцирующие вещества на 40-50%. Совмещение ферментативного гидролиза и спиртового брожения при степени конверсии, не достигшей 40%, не даст высокий выход биоэтанола ввиду раннего изменения температурного оптимума для действия гидролитических ферментов и адсорбции этанолсинтезирующих микроорганизмов на субстрат. Проведение стадии ферментативного гидролиза до степени конверсии более 50% увеличит общую продолжительность процесса, увеличит риск контаминации посторонней микрофлорой, не приведет к существенной интенсификации процесса ферментативного гидролиза за счет отведения сбраживаемых сахаров этанолсинтезирующими микроорганизмами.The stage of enzymatic hydrolysis is carried out until the substrate is converted to reducing substances by 40-50%. The combination of enzymatic hydrolysis and alcoholic fermentation at a degree of conversion not reaching 40% will not give a high yield of bioethanol due to an early change in the temperature optimum for the action of hydrolytic enzymes and the adsorption of ethanol-synthesizing microorganisms on the substrate. Carrying out the stage of enzymatic hydrolysis to a degree of conversion of more than 50% will increase the overall duration of the process, increase the risk of contamination by extraneous microflora, and will not lead to a significant intensification of the process of enzymatic hydrolysis due to the removal of fermentable sugars by ethanol-synthesizing microorganisms.
В качестве целлюлозосодержащего сырья в предлагаемом способе используется солома, или шелуха зерновых культур, или отходы овощных и плодово-ягодных культур, или мискантус.As the cellulose-containing raw materials in the proposed method, straw or grain husk, or waste vegetable and fruit crops, or miscanthus is used.
При уборке и переработке зерновых культур остается огромное количество отходов - соломы и шелухи. Например, шелуха овса - это отход массовой культуры, занимающей значительные площади мире, особенно на территории России (по данным Росстата сбор овса в 2017 г. в России составил 5,45 млн т.). Овес характеризуется высокой пленчатостью, которая достигает 30%. На зерноперерабатывающих предприятиях накапливается огромное количество шелухи, при этом, мало того, что сырье многотоннажно скапливается в одном месте, оно не требует дальнейшей технологической переработки, а стоимость сбора шелухи перенесена на стоимость продуктов переработки овса (крупа, хлопья, толокно, мука, овсяное молоко, слайсы и т.д.). Шелуха овса не может быть использована ни в качестве топлива, ни в качестве сырья для топливных пеллет из-за высокой зольности с повышенным содержанием легкоплавких солей калия, которые приводят к образованию в печах прочного нагара. Ввиду высокого содержания целлюлозы (около 40%) шелуха овса не может быть применена и в качестве индивидуального корма для сельскохозяйственных животных, однако, по той же причине этот отход может быть успешно трансформирован в биоэтанол.When harvesting and processing grain crops, a huge amount of waste remains - straw and husks. For example, oat husk is a waste of mass culture, which occupies significant areas of the world, especially in Russia (according to Rosstat, oat harvest in 2017 in Russia amounted to 5.45 million tons). Oats are characterized by high filmy, which reaches 30%. A huge amount of husk accumulates at grain processing enterprises, while not only does the raw material accumulate in many places in one place, it does not require further processing, and the cost of collecting the husk is transferred to the cost of oat products (cereals, cereal, butter, flour, oat milk , slices, etc.). Oat husks can not be used either as fuel or as raw materials for fuel pellets due to the high ash content with a high content of low-melting potassium salts, which lead to the formation of strong soot in furnaces. Due to the high cellulose content (about 40%), oat husk cannot be used as an individual feed for farm animals, however, for the same reason, this waste can be successfully transformed into bioethanol.
Технология переработки овощных и плодово-ягодных культур предусматривает образование большого количества отходов при инспекции, очистке, резке, протирании, прессовании и других технологических операциях. К примеру, свекловичный жом представляет собой обессахаренную стружку и составляет до 82% от общей массы переработанной свеклы. В настоящее время в качестве корма в свежем виде используют 35-40% свекловичного жома, а остальное оказывается невостребованным и вывозится в отвал. Сухой свекловичный жом содержит около 45% целлюлозы и гемицеллюлоз, что делает его перспективным сырьем для получения биоэтанола.The technology for processing vegetable and fruit crops provides for the formation of a large amount of waste during inspection, cleaning, cutting, rubbing, pressing and other technological operations. For example, beet pulp is a sugarless chip and accounts for up to 82% of the total mass of processed beets. Currently, fresh feed use 35-40% of beet pulp, and the rest is unclaimed and exported to the dump. Dry beet pulp contains about 45% cellulose and hemicelluloses, which makes it a promising raw material for bioethanol.
Мискантус - род многолетних травянистых растений семейства мятликовых, техническая культура, обладающая высокой урожайностью при минимальных затратах на возделывание и способная расти на почвах, непригодных для традиционного земледелия. Возможно получать до 15 т/га сухой массы мискантуса в течение 15-20 лет после однократных затрат на его посадку. Содержание целлюлозы в биомассе мискантуса находится на уровне 50%.Miscanthus is a genus of perennial herbaceous plants of the bluegrass family, an industrial crop with a high yield with minimal cultivation costs and capable of growing on soils unsuitable for traditional farming. It is possible to obtain up to 15 t / ha of dry mass of miscanthus within 15-20 years after a one-time cost of planting it. The cellulose content in the biomass of Miscanthus is at the level of 50%.
Для пояснения предлагаемого технического решения ниже приведены примеры конкретного выполнения.To clarify the proposed technical solution below are examples of specific performance.
Пример 1.Example 1
Берем шелуху овса влажностью 5,5%, проводим ее обработку 4% раствором азотной кислоты в течение 5 ч при температуре 96°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Ультрафло Коре». Начальная концентрация сухих веществ 6%; с интервалом в 4 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 15% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 50% и после охлаждения реакционной массы до 28°С вносим посевной материал Schizosaccharomyces pombe и стимуляторы биосинтеза этанола: сульфата аммония - 1,8 г/дм3, монофосфата калия - 1,0 г/дм3, сульфата магния - 1,0 г/дм3, хлорида кальция - 0,2 г/дм3 и дрожжевого экстракта - 6,5 г/дм3. По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 23,4 дал/т шелухи овса.We take the husk of oats with a moisture content of 5.5%, carry out its processing with a 4% solution of nitric acid for 5 hours at a temperature of 96 ° C, rinse until neutral. The enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicelluloses of the obtained substrate is carried out using a multi-enzyme composition based on enzyme preparations: Cellolux-A and Ultraflo Kore. The initial concentration of solids is 6%; with an interval of 4 hours, we add to the system portions of the substrate and the corresponding amount of enzyme preparations up to 15% solids. Upon reaching the degree of conversion of the substrate to reducing substances of 50% and after cooling the reaction mass to 28 ° C, we apply the inoculum Schizosaccharomyces pombe and stimulators of ethanol biosynthesis: ammonium sulfate - 1.8 g / dm 3 , potassium monophosphate - 1.0 g / dm 3 magnesium sulfate 1.0 g / dm 3 , calcium chloride 0.2 g / dm 3 and yeast extract 6.5 g / dm 3 . At the end of the alcoholic fermentation, bioethanol from the mash is isolated using a distillation unit. The bioethanol yield is 23.4 dal / t oat husk.
Пример 2.Example 2
Берем солому ячменя влажностью 15%, проводим ее обработку 12% раствором соляной кислоты в течение 5 ч при температуре 96°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX». Начальная концентрация сухих веществ 9%; с интервалом в 4 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 18% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 50% и после охлаждения реакционной массы до 30°С вносим посевной материал Pachysolen tannophillus и стимуляторы биосинтеза этанола: сульфата аммония - 2,0 г/дм3, монофосфата калия - 0,5 г/дм3, сульфата магния - 0,5 г/дм3 и дрожжевого экстракта - 8,0 г/дм3. По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 22,0 дал/т соломы ячменяWe take barley straw with a moisture content of 15%, we carry out its processing with a 12% hydrochloric acid solution for 5 hours at a temperature of 96 ° C, and we wash until neutral. The enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicelluloses of the obtained substrate is carried out using a multi-enzyme composition based on enzyme preparations: Cellolux-A and Brusheim BGX. The initial concentration of solids is 9%; with an interval of 4 hours, we add to the system portions of the substrate and the corresponding amount of enzyme preparations up to 18% solids. Upon reaching the degree of conversion of the substrate to reducing substances of 50% and after cooling the reaction mass to 30 ° C, we introduce Pachysolen tannophillus seed and ethanol biosynthesis stimulants: ammonium sulfate - 2.0 g / dm 3 , potassium monophosphate - 0.5 g / dm 3 magnesium sulfate 0.5 g / dm 3 and yeast extract 8.0 g / dm 3 . At the end of the alcoholic fermentation, bioethanol from the mash is isolated using a distillation unit. The bioethanol yield is 22.0 decalitres / ton of barley straw
Пример 3.Example 3
Берем свекловичный жом влажностью 14%, проводим его обработку 1% раствором серной кислоты в течение 1 ч при температуре 85°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Ультрафло Коре». Начальная концентрация сухих веществ 6%; с интервалом в 8 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 20% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 47% и после охлаждения реакционной массы до 32°С вносим посевной материал Saccharomyces cerevisiae и стимуляторы биосинтеза этанола: сульфата аммония - 1,0 г/дм3, монофосфата калия - 1,0 г/дм3, пептона - 9,5 г/дм3. По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 11,0 дал/т свекловичного жома.We take beet pulp with a moisture content of 14%, we carry out its treatment with a 1% sulfuric acid solution for 1 h at a temperature of 85 ° C, and wash until neutral. The enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicelluloses of the obtained substrate is carried out using a multi-enzyme composition based on enzyme preparations: Cellolux-A and Ultraflo Kore. The initial concentration of solids is 6%; with an interval of 8 hours, we add to the system portions of the substrate and the corresponding amount of enzyme preparations up to 20% solids. Upon reaching the degree of conversion of the substrate to reducing substances of 47% and after cooling the reaction mass to 32 ° C, we introduce inoculum Saccharomyces cerevisiae and stimulators of ethanol biosynthesis: ammonium sulfate - 1.0 g / dm 3 , potassium monophosphate - 1.0 g / dm 3 peptone - 9.5 g / dm 3 . At the end of the alcoholic fermentation, bioethanol from the mash is isolated using a distillation unit. The yield of bioethanol is 11.0 dal / t beet pulp.
Пример 4.Example 4
Берем яблочный жмых влажностью 10%, проводим его обработку 1% раствором серной кислоты в течение 1,5 ч при температуре 90°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Ультрафло Коре». Начальная концентрация сухих веществ 8%; с интервалом в 8 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 22% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 45% и после охлаждения реакционной массы до 32°С вносим посевной материал Schizosaccharomyces pombe и стимуляторы биосинтеза этанола: дигидрофосфата аммония - 4,0 г/дм3, сульфата магния - 1,0 г/дм3 и дрожжевого экстракта - 3,6 г/дм3. По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 8,5 дал/т яблочного жмыха.Take apple cake with a moisture content of 10%, carry out its processing with a 1% sulfuric acid solution for 1.5 hours at a temperature of 90 ° C, rinse until neutral. The enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicelluloses of the obtained substrate is carried out using a multi-enzyme composition based on enzyme preparations: Cellolux-A and Ultraflo Kore. The initial concentration of solids is 8%; with an interval of 8 hours, we add portions of the substrate and the corresponding amount of enzyme preparations to 22% solids in the system. Upon reaching the degree of conversion of the substrate to reducing substances of 45% and after cooling the reaction mass to 32 ° C, we apply the inoculum Schizosaccharomyces pombe and stimulators of ethanol biosynthesis: ammonium dihydrogen phosphate - 4.0 g / dm 3 , magnesium sulfate - 1.0 g / dm 3 and yeast extract - 3.6 g / DM 3 . At the end of the alcoholic fermentation, bioethanol from the mash is isolated using a distillation unit. The yield of bioethanol is 8.5 dal / t of apple meal.
Пример 5.Example 5
Берем мискантус влажностью 13%, проводим его обработку 10% раствором надуксусной кислоты в течение 3 ч при температуре 98°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX». Начальная концентрация сухих веществ 9%; с интервалом в 6 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 27% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 40% и после охлаждения реакционной массы до 30°С вносим посевной материал Kluyveromyces marxianus и стимуляторы биосинтеза этанола: дигидрофосфата аммония - 4,0 г/дм3, сульфата магния - 1,0 г/дм3, хлорида кальция - 0,2 г/дм3 и пептона - 10,2 г/дм3 По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 19,5 дал/т мискантуса.We take miscanthus with a humidity of 13%, we carry out its treatment with a 10% solution of peracetic acid for 3 hours at a temperature of 98 ° C, and wash until neutral. The enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicelluloses of the obtained substrate is carried out using a multi-enzyme composition based on enzyme preparations: Cellolux-A and Brusheim BGX. The initial concentration of solids is 9%; with an interval of 6 hours, we add to the system portions of the substrate and the corresponding amount of enzyme preparations up to 27% of solids. Upon reaching the degree of conversion of the substrate to reducing substances of 40% and after cooling the reaction mass to 30 ° C, we introduce seed Kluyveromyces marxianus and stimulators of ethanol biosynthesis: ammonium dihydrogen phosphate - 4.0 g / dm 3 , magnesium sulfate - 1.0 g / dm 3 , calcium chloride - 0.2 g / dm 3 and peptone - 10.2 g / dm 3 At the end of alcoholic fermentation, bioethanol is extracted from the mash using a rectification unit. The bioethanol yield is 19.5 dal / t of miscanthus.
Предлагаемый способ реализуется на стандартном оборудовании, он эффективен и технологически целесообразен. Способ позволяет удовлетворить существующую потребность в рентабельном способе получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья.The proposed method is implemented on standard equipment, it is effective and technologically feasible. The method allows to satisfy the existing need for a cost-effective method of producing bioethanol from cellulose-containing raw materials.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018134393A RU2701643C1 (en) | 2018-09-27 | 2018-09-27 | Method of producing bioethanol from cellulose-containing material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018134393A RU2701643C1 (en) | 2018-09-27 | 2018-09-27 | Method of producing bioethanol from cellulose-containing material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2701643C1 true RU2701643C1 (en) | 2019-09-30 |
Family
ID=68170634
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018134393A RU2701643C1 (en) | 2018-09-27 | 2018-09-27 | Method of producing bioethanol from cellulose-containing material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2701643C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2718762C1 (en) * | 2019-12-11 | 2020-04-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН) | Method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2581799C1 (en) * | 2015-03-13 | 2016-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) | Method of producing bioethanol from lignocellulose material |
| RU2593724C1 (en) * | 2015-06-25 | 2016-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) | Method of producing bioethanol from cellulose-containing material |
-
2018
- 2018-09-27 RU RU2018134393A patent/RU2701643C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2581799C1 (en) * | 2015-03-13 | 2016-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) | Method of producing bioethanol from lignocellulose material |
| RU2593724C1 (en) * | 2015-06-25 | 2016-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) | Method of producing bioethanol from cellulose-containing material |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| KOPPRAM R., OLSSON L., Combined substrate, enzyme and yeast feed in simultaneous saccharification and fermentation allow bioethanol production from pretreated spruce biomass at high solids loadings // Biotechnology for Biofuels, 7:54, 2014, стр.1-9. * |
| KOPPRAM R., OLSSON L., Combined substrate, enzyme and yeast feed in simultaneous saccharification and fermentation allow bioethanol production from pretreated spruce biomass at high solids loadings // Biotechnology for Biofuels, 7:54, 2014, стр.1-9. СКИБА Е.А., БУДАЕВА В.В. и др., Биоэтанол из целлюлозы плодовых оболочек овса //Вестник Казанского технологического университета, т.16, N 22, 2013, стр. 202-205. UNREAN P. и др., Systematic optimization of fed-batch simultaneous saccharification and fermentation at high-solid loading based on enzymatic hydrolysis and dynamic metabolic modeling of Saccharomyces cerevisiae // Microbiol Biotechnol, 100, 2016, стр.2459-2470. * |
| UNREAN P. и др., Systematic optimization of fed-batch simultaneous saccharification and fermentation at high-solid loading based on enzymatic hydrolysis and dynamic metabolic modeling of Saccharomyces cerevisiae // Microbiol Biotechnol, 100, 2016, стр.2459-2470. * |
| СКИБА Е.А., БУДАЕВА В.В. и др., Биоэтанол из целлюлозы плодовых оболочек овса //Вестник Казанского технологического университета, т.16, N 22, 2013, стр. 202-205. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2718762C1 (en) * | 2019-12-11 | 2020-04-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН) | Method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11293044B2 (en) | Bioprocess for coproduction of ethanol and mycoproteins | |
| CN102985550A (en) | Compositions and methods for fermentation of biomass | |
| Marzo et al. | Status and perspectives in bioethanol production from sugar beet | |
| CN101215582B (en) | Method for producing succinic acid by fermenting straw raw material | |
| CN103547677A (en) | Systems and methods for hydrolysis of biomass | |
| US20150118727A1 (en) | High efficiency ethanol process and high protein feed co-product | |
| US20160312247A1 (en) | Integration of First and Second Generation Bioethanol Processes | |
| CN101824395B (en) | Method for culturing fermentation seed liquid by adopting solid straws as carbon source | |
| US10240171B2 (en) | Preparation of lactic acid and/or a lactate salt from lignocellulosic material by separate saccharification and fermentation steps | |
| EP2791348A1 (en) | Process for the fermentative production of lactic acid from a plant extract in the presence of a caustic magnesium salt | |
| RU2581799C1 (en) | Method of producing bioethanol from lignocellulose material | |
| RU2701643C1 (en) | Method of producing bioethanol from cellulose-containing material | |
| US10597688B2 (en) | Method for preparing fermentable sugar from wood-based biomass | |
| JP5581244B2 (en) | Ethanol production method | |
| Rajoka | Production of single cell protein through fermentation of a perennial grass grown on saline lands with Cellulomonas biazotea | |
| RU2762425C1 (en) | Method for bioconversion of sunflower husk into feed product with high protein content | |
| CN101532036B (en) | Method for producing butane diacid by fermenting Jerusalem artichoke raw material | |
| US20130337525A1 (en) | Method of Producing Ethanol | |
| US20140273134A1 (en) | Barley-Based Biorefinery Process | |
| Osumah et al. | Production of yeast using acid-hydrolyzed cassava and poultry manure extract | |
| CN112746088A (en) | Method for co-producing xylitol and fuel ethanol by fermenting lignocellulose serving as raw material | |
| RU2109058C1 (en) | Method of alcohol producing from plant raw hemicellulose hydrolyzate | |
| Dimmling et al. | Critical assessment of feedstocks for biotechnology | |
| PL239862B1 (en) | Method of obtaining ethanol, biogas and fertilizing material from beetroot processing and sugar beetroot pulp | |
| Oladunni et al. | Novel and Cost-Effective Feedstock for Sustainable Bioethanol Production |