Способ микробиологической обработки целлюлозосодержащих материалов

 

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при переработке целлюлозосодержащего сырья с целью получения кормов для сельскохозяйственных животных. На целлюлозосодержащем материале выращивают консорциум микроорганизмов, содержащий культуру микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus) и культуру микроорганизма Allescherie terrestris, взятых в соотношении от 1:10 до 10:1. Способ микробиологической обработки позволяет сократить время разложения целлюлозосодержащих материалов. 6 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области биотехнологического производства и может быть использовано при переработке целлюлозосодержащего сырья с целью получения кормов для сельскохозяйственных животных или органо-минеральных удобрений, а также при получении технического этилового спирта, бумаги, картона, синтетических нитей.

Ежегодный естественный прирост целлюлозы в мире составляет около 100 миллиардов тонн. Использование даже части целлюлозосодержащего сырья приводит к накоплению огромного количества целлюлозосодержащих отходов: соломы, опилок, коры, некондиционной древесины, зерновых отходов и т.д., практически не перерабатывающихся в настоящее время. Накопление целлюлозосодержащих отходов вызвано сложностью и высокой себестоимостью переработки целлюлозы. Сложность переработки целлюлозы обусловлена длительностью деструкции молекул целлюлозы.

Известно, что солома, опилки, состоящие примерно из 70% целлюлозы и 10-20% лигнина, должны быть предварительно разрушены целлюлозолитическими микроорганизмами до простых сахаров. Полученные простые сахара могут быть использованы впоследствии в качестве источника энергии, например, для азотфиксирующих микроорганизмов, присутствующих в почве и способных связывать атмосферный азот в доступные для растений формы.

Процесс расщепления целлюлозы в природе за счет почвенных микроорганизмов очень длителен и протекает в течение нескольких месяцев даже при благоприятных внешних условиях. В частности, (см. Antunes L.A. Agr. Siol. Technol. 1986. V. 29, N. 3, pp. 533-543), известно, что в естественных условиях на целлюлозосодержащих материалах природная ассоциация целлюлозолитических микроорганизмов образуется только через 120 дней.

Известен способ ферментативной переработки с использованием культуры микромицета Paecilomyces variotii целлюлозосодержащих материалов (RU, патент 2094414 C 05 F 11/08, 1997) с целью получения органических удобрений. Процесс длится до 25 суток.

Известен способ ферментативной переработки целлюлозосодержащих материалов с использованием культуры гриба Rleurotus ostreatus (RU, патент 2080078 A 23 K 1/00, 1997) на корм для животных. Процесс длится до 10 суток.

Известен способ получения биологически активного корма из целлюлозосодержащих материалов (RU, патент 2097979 A 23 K 1/00) с использованием культуры гриба Agricus lisporus. Процесс длится до 7 суток.

Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в обеспечении возможности ускоренной микробиологической переработки целлюлозосодержащих материалов.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в сокращении времени разложения целлюлозосодержащих материалов при одновременном сокращении количества исходных лигнина и полисахаридов в продуктах переработки.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать обработку целлюлозосодержащих отходов ассоциацией микроорганизмов, содержащей культуру микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus) и культуру микроорганизма Allescherie terrestris, взятых в соотношении от 1:10 до 10:1. Преимущественно используют штамм микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus), коллекционный номер ГСБ ТБ14Г из Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ, и штамм микроорганизма Allescherie terrestris, коллекционный номер ГСБ ТБ13Г из Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых культур. Однако могут быть использованы и другие штаммы указанных культур. Предпочтительно, предварительно целлюлозосодержащий материал увлажняют до содержания влаги 60-80%. Преимущественно, содержание сухих клеток используемого консорциума составляет от 1 до 6% от содержания лигнина в исходном целлюлозосодержащем сырье. Обычно процесс обработки целлюлозосодержащего материала проводят в течение 1-5 суток. Преимущественно, обработке подвергают исходный материал с содержанием целлюлозы и гемицеллюлозы от 70 до 88% от абсолютно сухого вещества и содержании лигнина от 5 до 25% от абсолютно сухого вещества. Желательно использовать измельченный целлюлозосодержащий материал.

Преимущественно используемые штаммы микроорганизмов, указанные выше, имеют следующие признаки: 1. Штамм микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus), коллекционный номер ГСБ ТБ14Г из Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ, выделен из почвы путем накопительных культур с последующей селекцией.

Штамм имеет следующие морфологические особенности: низкий мицеральный гриб, гифы несептированы, аэроб, на твердых почвах образует белый субстратный и короткий воздушный мицелий, размножается путем апикального роста и спорами, в качестве источника углерода использует сахара, пектин, крахмал, целлюлозу, органические кислоты. Штамм способен продуцировать белок одноклеточных, а также целлюлолитические ферменты. Скорость роста штамма составляет примерно 0,1 ч^-1.

2. Штамм микроорганизма Allescherie terrestris, коллекционный номер ГСБ ТБ13Г в Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых культур, выделен из соломы злаковых культур путем селекции.

Штамм имеет следующие морфологические особенности: мицеральный гриб, от мицелия отходят ветвистые концы, на которых развиваются пучки конидиальных цепочек, конидии угловатые, при распадании цепочек они иногда остаются соединенными углом, мицелий бесцветный, стелющийся, пронизывающий субстрат, в качестве источника углерода штамм использует глюкозу, галактозу, сахарозу, раффинозу, мальтозу, целлюлозу и лигнин. Штамм размножается спорами. Штамм способен синтезировать белок одноклеточных и целлюлолитические ферменты. Скорость роста штамма составляет в среднем 0,1 ч^-1.

Изобретение может быть иллюстрировано следующими примерами реализации.

1. Для полготовки посевного материала целлюлозосодержащий субстрат (опилки) в количестве примерно 400 г помещают в емкость объемом 1000 мл. Добавляют примерно 240 мл воды, закрывают ватным тампоном и стерилизуют полученный субстрат при 1,5 атм в течение примерно 30 мин. В стерилизованную и охлажденную среду засевают суспензию указанных штаммов микроорганизмов, предварительно выращенных на сусловом агаре при температуре примерно 28^oC. Плотность засева составляет 0,01 грамма сухих клеток микроорганизмов на грамм субстрата. Засеянную суспензию выращивают в термостате в течение 10-15 дней при температуре примерно 28^oC. Полученный подобным образом засевной материал используют при засеве целлюлозосодержащей среды в ферментере.

2. В камеру объемом 3000 мл засыпали предварительно измельченную древесную кору и торф, взятые в соотношении 3:7. Смесь увлажнили водой до содержания влаги 70% и внесли посевной материал, в котором соотношение штаммов микроорганизмов составляет 1: 9, полученный ранее, в количестве 3% от содержания лигнина в смеси. Выращивание культур проводили в течение трех суток при поддерживании постоянной влажности. В деструктированном целлюлозосодержащем материале содержание полисахаридов составляло 40% от сухого вещества, а лигнина - 8%. В исходном субстрате содержание полисахаридов составляло 85%, при содержании лигнина - 12%. В процессе ферментации разрушилось 53% полисахаридов и 34% лигнина.

3. В камеру объемом 3 дм³ поместили предварительно измельченную солому и торф в соотношении 1: 1. Смесь увлажнили до содержания влаги 75%. Засеяли засевной материал, полученный по примеру 1, но при соотношении штаммов указанных микроорганизмов, как 9:1. Общее количество засевного материала составило 4% от содержания лигнина. Ферментацию проводили в течение двух суток при поддержании постоянной влажности. При этом в деструктированном сырье содержание целлюлозы и гемицеллюлозы составило 53% от сухого веса, а содержание лигнина - 3%. Поскольку в исходной смеси (солома и торф) содержалось полисахаридов 80%, а лигнина - 8%, в результате обработки разрушилось 32% полисахридов и 53% лигнина.

4. В камеру объемом 3 дм³ поместили измельченную солому и увлажнили ее водой до содержания влаги 65%. Добавили посевной материал, полученный аналогично примера 1 при соотношении штаммов микроорганизмов как 1:1. Общее количество засевного материала составило примерно 6% от содержания лигнина в сырье. Ферментацию проводили в течение четырех суток при поддержании постоянной влажности. После обработки содержание полисахаридов составило 35%, а лигнина - 5%. Поскольку в исходном сырье содержалось полисахаридов 75%, а лигнина 15%, то в результате обработки разрушилось 54% полисахаридов и 70% лигнина.

5. В камеру объемом 3 дм³ поместили предварительно измельченные опилки деревьев хвойных пород, увлажнив их водой до содержания влаги 70%. Добавили посевной материал, полученный аналогично примеру 1, при соотношении штаммов микроорганизмов 2:1. Общее количество посевного материала составило примерно 5% от содержания лигнина в исходном сырье. Ферментацию проводили в течение 2-х суток при поддержании постоянной влажности. После обработки содержание полисахаридов составило 46%, а лигнина - 14%. В исходном сырье их содержалось соответственно 70 и 23%. В результате обработки разрушилось 36% полисахаридов и 27% лигнина.

6. В камеру объемом 3 дм³ поместили опилки лиственных пород древесины, увлажнив их водой до содержания влаги 65%. Добавили посевной материал, полученный аналогично примеру 1, при соотношении штаммов микроорганизмов как 1,5:1. Общее количество посевного материала составило 6% от содержания лигнина в исходном сырье. Ферментацию проводили в течение 3-х суток при поддержании указанной влажности. После микробиологической обработки содержание полисахаридов составило 37% при содержании лигнина 13%. В исходном материале их содержалось 72 и 21% соответственно. В результате обработки разрушилось 49% полисахаридов и 36% лигнина.

Использование полученного полупродукта в дальнейшем возможно при получении целевых продуктов: корма сельскохозяйственных животных или органических и органоминеральных удобрений. При этом длительность предварительно обработанного по вышеприведенному способу целлюлозосодержащего материала уменьшается до 2-4 дней.

Формула изобретения

1. Способ микробиологической обработки целлюлозосодержащих материалов, включающий выращивание на целлюлозном материале микроорганизмов, отличающийся тем, что на целлюлозосодержащем материале выращивают консорциум микроорганизмов, содержащий культуру микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus) и культуру микроорганизма Allescherie terrestris, взятых в соотношении от 1:10 до 10:1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют штамм микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus), коллекционный номер ГСБ ТБ14Г в Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют штамм микроорганизма Allescherie terrestris, коллекционный номер ГСБ ТБ13Г в Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых культур.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно увлажняют целлюлозосодержащий материал до содержания влаги 60-80%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание сухих клеток используемого консорциума составляет от 1 до 6% от содержания лигнина в исходном целлюлозосодержащем сырье.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс обработки проводят в течение 1-5 суток.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание целлюлозы и гемицеллюлозы в исходном сырье составляет от 70 до 88%, а содержание лигнина от 5 до 25% от абсолютного сухого вещества.