Способ подготовки растительного сырья к ферментативному гидролизу

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано в гидролизном производстве для получения чистых и высококонцентрированных растворов Сахаров. Цель изобретения - увеличение выхода целлюлозной массы, повышение степени ее биоконверсии в гексозные сахара и сокращение времени биоконверсии. Обработку исходного растительного сырья проводят в среде этанола и воды в присутствии молекулярного кислорода в количестве 4,,3% от массы исходного абс.сух.сырья при температуре 140 160°С в присутствии кислотного катализатора (минеральных или органических кислот) в одну ступень при продолжительности 60-120 мин. Соотношение этанола и воды составляет соответственно,40-60 60-40 (об.%). гидромодуль равен 3-7. 2 табл. ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<я>з С 13 К 1/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (>

I (21) 4413325/13 (22) 21.04.88 (46) 30.05.91. Бюл. М 20 (71) Ленинградская лесотехническая академия им.С.М.Кирова (72) И.П.Дейнеко, Г.С.Михайлов, В.М.Скачков, M.ß.Çàðóáèí, Р.В.Таничева, П.А.Кожевников и А.Н.Соколов (53) 665.13(088.8) (56)Нàgstrom — Nазl,SjostràmЕ.

HolzforschUng, 1987, Bd 40, S. 133-138. (54) СПОСОБ ПОДГОТОВКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЪЯ К ФЕРМЕНТАТИВНОМУ

ГИДРОЛИЗУ (57) Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть исИзобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано в гидролизном производстве для получения чистых и высококонцентрированных растворов сахаров с целью последующего приготовления на их основе пищевой глюкозы, сорбита, маннита либо дальнейшей переработки их на различные продукты микробиологического синтеза (спирт, дрожжи, лимонная кислота, аминокислоты и т.п.).

Цель изобретения — увеличение выхода целлюлозной массы, повышение степени ее биоконверсии в гексозные сахара и сокращение времени биоконверсии, Процесс обработки растительного сырья происходит за счет сочетания процессов гидролиэа и окисления древесных компонентов (оксигидролиз), осуществляемых в одну ступень. Наряду с реакционноспособ„„Я2„„1652353 А1 польэовано в гидролизном производстве для получения чистых и высококонцентрированных растворов сахаров. Цель изобретения — увеличение выхода целлюлозной массы, повышение степени ее биоконверсии в гексозные сахара и сокращение времени биоконверсии; Обработку исходного растительного сырья проводят в среде этанола и воды в присутствии молекулярного кислорода в количестве 4,1"6,3% от массы исходного абс.сух.сырья при температуре

140 — 1600С в присутствии кислотного катализатора (минеральных или органических кислот) в одну ступень при продолжительности 60-120 мин. Соотношение этанола и воды составляет соответственно,40 — 60: 60-40 (об.%), гидромодуль равен 3-7. 2 табл. ным лигнином получают водный раствор продуктов гидролиза гемицеллюлоз и волокнистый целлюлозный субстрат. Лигноуглеводный комплекс разрушается, высвобождающиеся фрагменты лигнина под действием растворителя и кислоты переходят в раствор, где интенсивно окисляются с потерей молекулярной массы и образованием мономерных продуктов (ванилин, сиреневый альдегид и т.п.).

Гемицеллюлозы и полиуроновые кислоты при использовании минеральных или органических кислот гидролизуются до монои олигосахаридов. .Образовавшаяся целлюлоза превращается в сахар за счет культивирования на ней целлюлолитических ферментов в экологически чистых условиях без образования побочных продуктов и токсичных стоков.

1652353

Способ обработки растительного сырья позволяет значительно повысить селективность процесса делигнификации растительного. сырья, улучшить гидрофильность целлюлозной массы, снизить молекулярную массу образующихся фрагментов лигнина, а также значительно уменьшить вторичные конденсационные процессы.

Следствием этого является повышение выхода целлюлозной массы из растительного сырья при более мягких условиях его выделения, что позволяет в дальнейшем получить высокую степень биоконверсии целлюлозной массы в гексоэные сахара при ферментативном гидролизе.

В качестве источника сырья испытаны образцы сосновой древесины в виде щепы производственной рубки стандартных размеров, не содержащей коры и гнили.

Химический состав сосновой щепы приведен в табл.1.

В качестве источников сырья испытаны также образцы однолетнего сырья (кукурузная кочерыжка) и лиственной древесины (осина), характеризующихся различной морфологической структурой, химическим составом и природой структурных фрагментов исходных лигнинов, .которые имеют сиренгиловые и гваяциловые фенилпропановые структуры.

Во всех случаях применяли щепу производственной рубки, освобожденную от коры и сучков, кукурузную кочерыжку измельчали на дробленку на мельнице сухого помола.

Способ осуществляют следующим образом.

Обработку исходного растительного сырья проводят во вращающемся автоклаве в среде этанола и воды в присутствии молекулярного кислорода в количестве 4,1-6,3 от массы исходного абс.сух. растительного сырья при 140-160 С и в присутствии кислотного катализатора (минеральных или органических кислот) в одну ступень при продолжительности 60 — 120 мин. Соотношение низшего алифатического спирта (этанола) и воды составляет соответственно 40-60:

60-40 (об. ). Жидкостный модуль равен 37.

Нагрев содержимого автоклава до заданной температуры производят в течение

60 мин с выдержкой при конечной температуре 60 — 120 мин. Молекулярный кислород для окисления лигнина подается в автоклав из баллона. По завершении процесса варки автоклав охлаждают, целлюлоэную массу выгружают, отделяют от жидкой фазы на полотняном фильтре и промывают водой, Ферментативный гидролиз целлюлозных образцов осуществляют в термостатированных ячейках, снабженных магнитной мешалкой. Используют целлюлолитический комплекс, продуцируемый грибом

Trlchoderma viride (промышленный препа5 рат "Целловиридин"). Для,снятия катаболической репресии по целлобиозе добавляют препарат пектофоетидин из расчета 0,05 r/r субстрата, Ферментативный гидролиз осуществля10 ют следующим образом.

Навеску целлюлозы по абс.сух, массе

0,5+0,0001 r помещают в бюкс, заливают ацетатным буфером (15 мл), рН раствора 4 5, после чего вносят раствор ферментов (5 мл).

15 Бюкс герметизируют, помещают в термостатированную ячейку и ставят на магнитную мешалку, Концентрация целлюлозной массы в ячейке 2,5 . Процесс обработки целлюлозы ферментом ведут в течение 72 ч

20 при 42 + 0,5 С. По окончании обработки содержимое бюкса разделяют на центрифуге на жидкую и твердую фазы. В жидкой фазе определяют содержание сахаров. Осадок после центрифугирования высушивают

25 и взвешивают, Пример 1. 50 г абс. сух, щепы осины обрабатывают водно-спиртовым раствором (60 этанола), гидромодуль 7, расход серной кислоты 0,2 от абсолютно сухого

30 сырья (а.с,c.). Подъем температуры до конечной (150 С) 60 мин, выдерживание при

150 С 60 мин, после чего автоклав охлаждают. Расход молекулярного кислорода на обработку 5,2 от а.с,с. Выход целлюлозной

35 массы (остатка) 83,3 от а.с,с., содержание в нем лигнина 12,2 . Степень биоконверсии целлюлозного остатка в гексоэы при ферментативном гидролизе культуральной жидкостью гриба Trichoderma viride 46,6 g

40 от абсолютно сухой массы (а.с.м.). Выход гексоз 34.1 от а.с.с.

Пример 2. 50 r абс. сух. щепы осины обрабатывают водно-спиртовым (60 этанола) раствором, гидромодуль 7. Катализа45 тор — ортофосфорная кислота, расход 0,5 от а,с.с. Продолжительность обработки при

150 С 90 мин. Расход молекулярного кислорода 4,1 от а.с.с. Выход целлюлозной массы 66,8 от а.с.с., содержание лигнина

8,5 . Степень биоконверсии целлюлозной

50 массы в гексозы 80,0 от а.с.м. Выход гексоз 48,9 от а.с.с

Пример 3. 50 r абс. сух. щепы осины обрабатывают водно-спиртовым (60 этанола) раствором, гидромодуль 7. Расход ка55 тализатора (ледяной уксусной кислоты) 10 от а.с.с. Продолжительность обработки при

150 С 90 мин. Расход молекулярного кислорода 4,8 от а.с.с. Выход целлюлозной массы 52,8 от а.с.с., содержание лигнина

1652353

Таблица 1

4,2, Степень биоконверсии целлюлозной массы в гексозы 89,5 от а.с.м, Выход гексоз 45.3 от а.с.с.

В табл.2 показана степень превращения целлюлозной массы в гексозы под действием культуральной жидкости

Trlchoderma virlde в зависимости от способа ее подготовки.

Предлагаемый диапазон температур и времени обработки исходного растительного сырья являются оптимальными для выхода сахаров. Снижение температуры ниже

140 С ведет к снижению выхода сахаров.

При температуре выше 160 С происходит окисление растворителя — этанола.

Обработка древесины водно-этанольным раствором в присутствии кислотных катализаторов (Н ЗОа, НзРО4. СНзСООН) и окислителя (молекулярный кислород) позволяет получить легко перерабатываемую ферментами целлюлозную массу. Ферментативный гидролиз кислород-этанолсольволизной целлюлозной массы дает высокий выход гексоз, ускоряет процесс, делает его экономически выгодным, при этом 52-58 углеводов от исходной древесины превраща5 ются в утилизируемые на кормовые дрожжи или сбраживаемые на этиловый спирт сахара.

Формула изобретения

Способ подготовки растительного

10 сырья к ферментативному гидролизу путем

его обработки, молекулярным кислородом в смеси этанола и воды в присутствии катализатора,отличающийсятем,что,сцелью увеличения выхода целлюлозной массы, по15 вышения степени ее биоконверсии в гексозные сахара и сокращения времени биоконверсии, в качестве катализатора используют минеральную или органическую кислоту, а процесс осуществляют при 14020 160 С.

1652353

A

ОЪ

СЧ

СЧ

СГ\

CO л

СГ\

ЧЪ СО е- CO е е а а в а

ОЪ 0 СЧ - ГЪ ОЪ

Ф СО СО С»ъ CO

СЧ в

СЧ

ИЪ

О Ъ а Ol

О ОЪ

CO CO

I 1 I . I 1 1

I I

1»С

Cd ж ф 2 С» ф

Ю а

СО

CV а л

СеЪ

ССЪ

ОЪ ь

ОЪ

f o» u ф

0gO

I ф

d!0! М ! е л

О

СГЪ е в О

СЧ СЧ

° е

О О

О С Ъ СеЪ а л

О О

СЧ

М в а

CO О

I фж Ое м а °

I ф cd О и

СО ф Х О

О» М»

3ы 6д" ф al фО фО а5 а5

d! Х СЪ Й

I O»С О 1С

Э

Id

О

»с I

lc) 5

О

kI

Й й

И и

»» ! О ф а

j и

cd ф

С) О

al

Ы

С»

О

Х

О- О 0 О ее О О

СЪ О dl ф М

aI »е О ф мЪ

О g ° ° о

О О, О

СЪ О

О О О

u df cd

v Йф фее О

CS 0»Ъ а

5ССО

»» 1 в

О О М

4 СЧ "

О е» в

О. ф

5:. I

Ia я Ф О

»е СЧ

О е lao я

5 iе СЪ

О ссЪ "е

»е Х 3 аo v йц3

Э IC

Ðl ° О

С» О ам счэ

CKO О СЧ л

3ГЪ М в Ж

C РО CI

0aq

ОО »»

СС са Ы О

ОХ<5

О О Х O ф Е хо

Ef cd ca 2 а ж ф Cl V dl P

v u

О V О а °

I0 С» и С» аvgcdv

I0 О

О al Ф Р,ф

CO 0 О Л ОЪ О ОЪ ОЪ С \

O в е в в в в л

° tll .е 0 1- СО M ГЪ CO Ф

СО N СЧ + О\ е» Щ ОЪ е \ГЪ СЧ е в е л е а а в л а а

Л Л СЧ 0 Î < cl Î W CO

N col СГ) 0 СЧ СЧ Л ССс СО СО л в в а в л в л

e C cn »Ъ 0 С» О CO О О СЧ

0 СО ГЪ 0 0 ГЪ Ъ О ССЪ

О н Ъ О О О О О О О О О

"0 0 О 0 0 СЧ 10 ЧЪ Оъ ОЪ

О О О О О О О О О О О

3/\ io аъ ВГъ (Г\ Оъ Оъ со и уъ ссъ