SU949002A1 - Способ получени сахара из целлюлозусодержащего растительного сырь - Google Patents

Description

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САХАРОВ ИЗ

ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАШЕГО РАСТИТЕЛЬНОГО

Изобретение относитс  к гидролизной промышленности, в частности к способам , получени  Сахаров из целлюлозосодержащего растительного сырь , и может быть использовано в микробиологической, спиртовой , пищевой промышленноет х и дл  получени  кормов.

Известен способ получени  Сахаров из целлюлозосодержашего сырь , предусматриваюший адсорбцию целлюлолитических ферментов на сырье, гидролиз сырь , отделение жидкой фазы, содержащей олиго- сахариды, от непрореагировавших остатков с последующим гидролизом олигосахари- дов иммобилизованными целлюлозными ферментами, ковалентнр св занными с твердым носителем, до глюкозы и выделение глюкозы из вторичного гидролизата 1 .20

Недостатком данного способа юл етс  использование дорогосто щих иммобилизованных ферментов, что значительно удорожает процесс гидролиза. СЫРЬЯ

Известен способ получени  Сахаров из целлюлозосодержашего сырь , предусматривающий адсорбцию целлюлолитических ферментов на деллюлозосодержащем сырье гидролиз сырь  адсорбированными ферментами при рН 4-5 и 25- 50°С, отделение жидкой фазы, содержащей сахара, регенерацию высвобождающихс  ферментов путем посто нного поддерживани  избытка целлюлозы в реакционной смеси 2 .

Недостатком описанного способа  вл етс  неполна  регенераци  целлюлолитического кмплекса за счет потерь ферментов, адсорбированных на непрогидролизованных остатках сырь .

Известен также способ гидролиза растительного сырь , согласно которому дл  увеличени  выхода Сахаров в процессе гидролиза осуществл ют принудительное подпрессование сырь  до плотности 26ОЗОО кг/м абсолютно сухого сырь  .Л} .

Claims (4)

1. Наиболее близким техническим решением  вл етс  способ получени  Сахаров из целлюлозосодержащего раст1 тельпого сы- рь , предусматривающий адсорбшпо целлюлолитических ферментов на сырье, гидропиз его при рН 4,0 - 5,0 и 23 - 5О°С, отделение непрореагировавших остатков и гидролизата, содержащего сахар, промывку непрореагировавших остатков от ферментов и введение десорбирова1гаых ферментов в процесс, регенерацюо ферментов из пщролизата путем адсорбции их на вновь вводимом сьфье с последующим выводом гидролизата из процесса 4 . Недостатком данного способа  вл етс  неполна  адсорбци  ферментов на сырье (около 5О%) вследствие низкого содержани  сырь  в реакционной камере-(5 10%-па  суспензи ), что приводит к не полной регенеращш фермента, а также к снижению выхода Сахаров на единицу сырь  н на единицу объема реактора. Кроме того, необходима подача фермента на стадию гидролиза только в виде сухого препарата и невозможно использование фермента в вгзде раствора, водной выт жки технического препарата или кулътуральной ИЛДКОСТИ. Ыель изобретени  - повышение выхода Сахаров на единицу сырь , а также более полное использование ферментов. Поставленна  цель достш аетс  тем, что в способе получени  Сахаров из целлюлозосодержашего растительного сырь , предусматривающем адсорбцию целлюлоли- тических ферментов на сырье, гидролиз его при кислых значени х рН и 25 - 50°С отделение непрореагировавиусс остатков и гидролиаата, содержащего сахара, промыв ку непрореагировавших остатков от ферме тов, адсорбцию ферментов из гидролизата путем пропускани  его через сырье и выделение гидролизата, перед адсорбцией ферментов целлюлозосодержашее раститель ное сырье прессуют до плотности 0,2 0 ,8 г/см, адсорбцию с})ерментов на сьфье ведут при О , а отмывание непро- реагировавших остатков от ферментов осу шествл ют при рН 6-9. При этом ферментный препарат используют в растворенном виде и пропускают раствор фермента через спрессованное сы рье со скоростью 0,5-10 объемов реактора/ч . Отделение гидролизата, содержащего сахара, осуществл ют со скоростью 0,15 объемов реактора/сут, и в качестве целлюлоли тических ферментов используют комплексные препараты, содержащие эндо- глюканазу, целлобиогидролазу, экзоглюкозидазу , целлобиазу. Сущность предлагаемого способа заключаетс  в следующем. При использовании ферментов в виде раствора Ш1и культуральной жидкости рИ раствора устанавливают 3,5 - 5,0 целлюлозосодержащее сырье прессуют до плотности 0,2 - 0,8 Г/СМ,, температуру сырь  и раствора фермента поддерживают 5 25 С. Ферментный раствор пропускают через опрессованное сырье со скоростью 0,5- 10 объемов реактора/ч и затем замен ют буферным раствором рН 4,0-5,0, скорость его пропускани  через сырье до 0,1-5 объемов реактора/сут, повьплают температуру сырь  до 25-50°С и ведут гидролиз при посто нном удалении гидролизата, содержащего сахара. Полученный .гидролизат пропускают через вновь вводимое в процесс спрессованное сырье при 5 - 25С дл  адсорбции высвобождающтас  при гидролизе ферментов. Гидроли- зат, пропущенный через сырье, имеет содержание Сахаров 3 - 1О%, из которых от 60 до 90% составл ет глюкоза, а остальные 10 -40% - целлобиоза и ксилоза.. В тоже врем  в сиропах, получае(5ых по известному методу, как показьтают нащи данные, глюкоза редко превьп аёт ЗО -4О% от общего содержани  Сахаров, при использовании целлюлазных препаратов продуцента Т. VJride повышение относительного содержани  глюкозы в гидролизатах при проведении процесса предлагаемым способом, возможно, объ сн етс  более полной адсорбцией ферментов, образующих глюкозу, экзоглюкозидазы и целлобиазы. Гидролиза т может быть использован дл  выделени  глюкозы в качестве компонента питательной среды при выращивании мшсроорганизмов , дл  получени  спирта, дл  получени  кормов. По мере накоплени  в процессе гидролпиза непрореагировавших остатков сырь  их вывод тиз зоны реакции и промьтают буферным раствором с рН6,0 9 ,О дл  десорбции ферментов. Раствор, содержащий десорбированные ферменты, подкисл ют до рН 4,0 - 5,0 и вновь ввод т в процесс гидролиза, а непрореагировавщие остатки удал ют. В качестве цеплюлозосодержащего сырь  можно использовать отходы хлопка (линт, гузапа ), деревообрабатьшающей (опилки), целлюлозно-бумажной , вискозной промьпиленности, городские отходы, отходы сельского хоз йства . В качестве ферментов могут быть и(Лользованы целлюлолитические комплексы, содержащие эндоглюканазу, целлобиазу, экзоглюкозидазу, целлобиогидролазу в виде культуральной  шдкости. полученной при вырацивании продуцентов целлюлазы, так1гх как Trichodermd viri 3e ,Tfichoderma koninogii, dermd Qicjjnorum , deotrifiian candi olum, spercjieBos n-icijer, yflsperojiECus terreus, AsperojiQgus €oeticlus, Trictioderma tonqjitrdcliiatorn, и их смеси или препараты, выделенные из культуральной жидкссти или полученные путем поверхностного кулът1тировани , такие как целлокандин, целловиридин целлолигнорин, целлоконингин, пектофоетидин и их смеси. При использовании ферментного препарата в виде порошка сухое целлюлозосодержащее сырье перемеш5тают с ферментным препаратом, полученную смесь прессуют, устанавливают температуру 5 - 25С и через смесь пропускают буферный раствор с рН 4,0 - 5,0, темпеpa турой 5 - 25С, скоростью 0,5 - 1О объемов реактора/ч. По мере растворени  ферментного препарата в процесс ввод т новые порции сырь . После полного раст ворени  фермента процесс осуществл ют описанным способом. Пример 1. Ферментат шный гидро лиз делигнифидированных измельченных опилок провод т с использованием комплек ного препарата целлоконингин Пх. Из это- го препарата готов т водную выт жку. Активность эндоглюканазы в выт жке 8,5 ед/мл ; экзоглюкозидазы 1 ед/мл; целлобиогидролазы 1,0 ед/мл; целлобиазы 1 ед/мл. Делигнифицированные измельченные опилки суспендируют в буфере рН 4,5 и перенос т в реактор дл  гидролиза колонного типа объемом 20 мл, оборудованный рубашкой дл  охлаждени  или нагрева сырь . В реакторе опилки спрессо- вьюают до плотности 0,45 г/см , охлажда ют до 4°С и пропускают через него 14О м выт жки ферментного препарата, значение рН выт жки предварительно довод т до 4,5 уксусной кислотой. Выт жку прокачивают через сырье со скоростью 0,5 объема реактора/ч ( 10 мл/ч), По окончании процесса сорбции устанавливают режим гидролиза, дл  чего температуру сырь  с сорбированным ферментом довод т до . В зону гидролиза подаетс  буферный раствор рН 4,5 со скоростью 4 объема реактора/сут. Гидролизат, содержавший сахар и ферменты целлюлотического комплекса , отвод т и пропускают через новую партию спрессованного и охлажденного до 4°С сырь , ферменты из гидролизата сорбируют на сырье, которое направл ют в зону гидролиза. Концентраци  Сахаров в гидролизате на выходе из реактора 3%. Содержание глюкозы в процентах от суммы общих Сахаров 6О%. Нопрогидролизо- ванный остаток вывод т из зоны пщроли- за, ферменты десорбируют путем промывани  остатка буфером при рН 6,0. Значение рИ промывных вод довод т до 4,5 и вновь подают на сырье, размещенное в зоне сорбции рюактора. П р и м ер 2. Услови  проведени  процесса гидролиза опилок аналогичны примеру 1 за исключением того, что через опилки пропускают 9О мл выт жки при 2ОС со скоростью 10 объемов реактора/ч . Скорость отвода пщролизата .2 объема реактора/сут. Пример 3. Отл1гчие заключаетс  в том, что используют ферментную выт жку из препаратов целлолигнорин Пх с активностью , ед/мл : по эндоглюканазе 5 ; экзЬглюкоз1щазе Oj5; целлобиогидрола- зе 0,3. Через опилки пропускают 21О мл выт жки со скоростью 6 объемов реактора/ч . Ридролизат отвод т со скоростью 1 объем реактора/в сут. Пример 4. Ферментативный гидролиз измельченного хлопкового линта провод т с использованием комплексного препарата целловир{щин ГЗх. Из препарата готов т раствор в ацетатном буфере с рН 4,0. Активность в-растворе, ед/мл; эндоглюканазы 1,2; экзоглюкозидазы 0,3 ; целлобиогкдролазы 0,5; целлобиазы 0,05. Измельченный линт (120 г) смачивают ацетатным буфером с рН 4,0, перенос т в реактор колонного типа объемом 35О мл, снабженный двум  рубашками дл  охлаждени  или нагрева сырь , и прессуют до плотности 0,8 r/CMf Затем его и раствор фермента охлаждают до 15 и пропускают через сырье со скоростью 1 объем реактора/ч {35О мл/ч) По окончании процесса сорбции в реакционной зоне устанавливают режим гидролиза , дл  чего температуру в реакционной зоне поднимают до . Одновременно в реактор внос т 60 г свежего сырь , спрессовывают до плотности 0,8 г/см и с помощью второй рубашки охлаждают до 15®. В реакционную зону подают буферный раствор с рН 4,5 со скоростью 0,35 объема реактора/сут (120 мл/сут). Гидролизат отвод т через слой вновь введенного сырь , которое затем противотоком направл етс  в реакционную зону. НепрогвдроПйЗОванный остаток сьфь  периодически удал етс , промываетс  буферным раствором с рН 9, а десорбируемые при этом ферменты ввод тс  в реакшюнную зону. Содержание глюкозы в гидроли зате от обшей суммы восстанавливающих Сахаров составл ет 9О%. При адсорбшш адсорбируетс  80 - 10О% ферментов (по методу прототипа - лишь 50 - 6О%), а примеси (пигмент, балластный белок, ком поненты питательной среды) адсорбируютс менее, чем на 10%, и выход т из реакто ра до начала гиаролиза. Благодар  этому сироп имеет лишь слабую окраску, хот  используемый ферментный препарат был интенсивно коричневого цвета. Потери ферментов при непрерывном функционировании реактора в течение мес ца и двукратном добавлении новых порций сырь  составл ет менее 15%, а производительность реактора сохран етс  почти на посто нном уровне. П р и м е р 5. Процесс провод т ана логично примеру 4, но в качестве сырь  используют хлопковый линт, обработанный фосфорной 1сислотой (5О г). Объем реакто ра 12О мл, сырье прессуют до плотности 0,2 г/см, используют культуральную .жидкость продуцента Trictiodermq Viride с активностью, ед/мл : эндоглюканазы 1,0 экзоглюкозидазы 0,2; целлобиогидролазы 0,3 и целлобиазы О,ОЗ. Скорость пропус кани  культуральной жидкости через сыр при адсорбции фермента 60 мл/ч, температура адсорбции . Скорость пропуска ни  буфера с рН 4,5 в ходе гидролиза сырь  8О мл/сут, температура гидролиза 4О-С. В выход щем гидролиза те глюкоза составл ет 60% от общего содержани  Сахаров. В таблице показана производительнос реактора и концентраци  Сахаров, достиг нутые в этих примерах. ПроизводительКонецнтразш  сахара в Г1щроность реактора, лизате, % Предлага.емый способ позвол ет увеличивать продуктивность процесса за сче повьплени  количества ферментов, адсорбированных на единицу веса сырь , что приводит к увеличению выхода Сахаров, и многократ со использоватьферменты, вводимые в гфоцесс, за счет более пол- пой адсорбшш их из гидролнзата и десорбшп с непрореаглровавших остатков. Кроме того, предлагаемый способ позвол ет иммобилизовать целлобиазу, содер)жащуюс  в комплексе ферментов, адсорбцией непосредственно на расщепл емом сырье с сохранением до ЗО - 5О% активности , это дает возможность получить гидролиза ты с высоким относительным содержанием глюкозы и малой примесью целлобиозы, а также предотвратить инги- бирование целлобиазой других компонентов целлюлазного препарата, чего не удаетс  избежать при отдельной иммобилизации целлобиазы. Данный способ поз вол ет получить гидролизат не, загр зненный примес ми, содержащемс  в ферментком препарате, а также использовать ферментные растворы с низкой активностью за счет концентрировани  ферментов в реакционной смеси при адсорбции на сырье. Таким образом, увеличение выхода Сахаров на единицу достигаетс  за счет увеличени  адсорбции ферментов на единицу сырь , а такде создани  условий , при которых ферменты используютс  наиболее полно и эффективно гидролизуют сырье. При прессовании сырь  до плотности 0,2 - 0,8 г/см ферменты адсорбируютс  на сырье более полно (на 80 - 100%), чем в услови х по прототипу (5 - 15 6-на  суспензи  сырь , адсорбци  на 50 -.70%). При проведении адсорбции при температурах , на 10 - 40С ниже температуры гидролиза , т. е. при 0-20°С, адсорбци  ферментов на сырье увеличиваетс  в 1,11 ,5 раза по сравнению с прототипом, где адсорбци  идет в услови х гидролиза. Проведение гидролиза сырь  в спрессованном виде позвол ет поддерживать более высокую плотность сырь  в процессе гидролиза (0,2 - 0,8г/см), чем по прототипу (.5 - 15%-ные суспензии). При этом ферменты адсорбированы на сырье в большей степени и действуют эффективнее при том же количестве ферментов. Пропускание ферментного раствора через сырье со скоростью 0,1- 10 объемов реактора/ч позвол ет нанести на сырье большое количество фермента, не загр зн   реакционную зону ингибируюшими примес ми, coдepжaщи иc  в ферментном препарате, что позвол ет создать оптимальные услови  дл  действи  ферментов. В прототипе на стадии гидролиза в реактор добавл етс  сухой ферментный препарат , содержащий большое количество примесей, ингибирующих гидролиз. Отделение в процессе гидролиза образуютцегос  сахарного сиропа и пропускание его через вновь вводимое спрессованное сырье при температурах, на ниже, чем при гидролизе, позвол ет полнее адсорбировать на сырье ферменты, выводимые из зоны гидролиза с гидролизатом . В прототипе гидролизат пр1тодит- с  в контакт с 5 - 15 о-ными суспензи ми свежего сырь  при температурах, не оптимальных дл  адсорбции ферментов, в результате чего адсорб.ци  ферментов на сьфье  вл етс  менее полной. Промывание непрореагировавших остатков сырь  раствором с рН6-9 вызьшает полную десорбцию ферментов с выводимых из процесса остатков и позвол ет возвратить их в процесс гидролиза. В прототипе промывание осуществл етс  водой с рН тем и при гидролизе (4-5), а в этих услови х десорбци  ферментов с остатков сырь  происходит труднее, чем при рН 69 . Использование ферментного препарата, содержащего ферменты эндоглюканазу, целлобиогидролазу, экзоглюкозидазу и ЦЕЛЛобиазу, позвол ет повысить степень гидролиза сырь  до 80 - 10О% в результате синергизма в действии отдельных ферментов на сырье. В прототипе используютс  препараты, не содержащие экзоглюкозидазы , они не обеспечивают столь эффективного гидролиза сырь . Формула изобретени  1. Способ получени  Сахаров из целлю лозосодержащего растительного сырь , предусматривающий адсорбцию целлюлолитических ферментов на сырье, гидролиз его при кислых значени х рН и температуре 25 - 50С, отделение непрореагировавших остатков и гидролизата, содержащего сахара, промывку непрореагировавших остатков от ферментов, адсорбшпо ферментов вз гидролизата путем пропускани  его через сырье и вьщеление гидролизата , отличающийс  тем, что, с целью повьпиени  выхода сахара, перед адсорбцией ферментов целлюлозосо- держащее растительное сырье прессуют, до плотности 0,2 - О,8 г/см, адсорбшпо ферментов на сырье ведут при О - 20°С, а промывание непрореагировавших остатков от ферментов осуществл ют при рН 6-9. 2. Способ по п. 1, отличаю щ и и с   тем, что используют фермент ный препарат в растворенном виде, при этом пропускание раствора фермента чеР спрессованное сырье провод т со скоростью 0,5 - 1О объемов реактора/ч, 3. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с   тем, что отделение гидролизата , содержащего сахар, осуществл ют со скоростью О,1 - 5 объемов реактора/ /сут. 4. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с   тем, что в качестве целлюлолитических ферментов используют комплексные препараты, содержащие эндоглю- каназу, целлобиогидролазу, экзоглюкозидазу , целлобиазу. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 562573, кл. С 13 К 1/О2, 1975.
2. 2.Патент США № 3764475, кл, 195-33, опублик. 1973.
3. 3.Авторское свидетельство СССР № 234948. кл. С 13 К 1/О2, 1965.
4. 4.Патент США № 3972775, кл. 195-33, опублик. 1976.