Способ получения углеводов гидролизом полисахаридных комплексов водорослей (варианты)

Изобретение относится к способам получения углеводов. Способ предусматривает предварительную реакцию химического гидролиза полисахаридных комплексов водорослей с помощью пергидроля. Далее проводят реакцию ферментативного гидролиза с помощью комплексов ферментов целлюлаз, гемицеллюлаз и пектиназ с получением углеводов. При этом реакции химического и ферментативного гидролизов осуществляют последовательно в многосекционном реакторе барабанного типа. Изобретение позволяет получать углеводы из полисахаридных комплексов водорослей с высоким выходом конечного продукта, а также упростить технологический процесс за счет сокращения времени производственного цикла, использования простого оборудования и уменьшения количества обслуживающего персонала. 2 н. и 16 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способу получения из водорослей углеводов, которые могут использоваться в качестве компонентов питательной среды для получения этанола и биологически активных веществ (БАВ).

В гидросфере Земли известно более 28 тысяч видов растений - от одноклеточных микроскопических (фитопланктон) до растений со сложным строением и гигантских по размерам (макрофиты). Водные растения встречаются во всех слоях водоемов.

Водоросли - это низкоорганизованные растения, у которых отсутствуют настоящие корни, стебли и листья. В нашей стране наиболее распространены бурые и красные водоросли. Видовой состав наших морей представлен на 50% красными и на 45% бурыми водорослями.

Растения содержат в тканях намного больше углеводов, чем животные. Морские водоросли в сухом обезжиренном состоянии содержат от 40 до 82% углеводов. К углеводам относят моно-, ди- и полисахариды, мукополисахариды и комплексные полисахариды. Полисахариды, в основном, состоят из пентоз (арабиноза, ксилоза, рибоза и дозоксирибоза) и гексоз (глюкоза, манноза, галактоза, фукоза.)

Углеродсодержащие соединения водного растительного сырья потенциально могут быть превращены в моноуглеводы с использованием комплекса ферментов или комплексных ферментных препаратов растительного или микробного происхождения. Кроме того, различные моносахара или полисахариды могут быть использованы для получения биологически активных веществ, пищевых и кормовых продуктов или в качестве заменителей нефтехимических продуктов при получении органических химических соединений.

Известны различные способы получения углеводов из растительного сырья как химические, так и биохимические.

Наиболее активными химическими катализаторами реакции гидролиза полисахаридов растительной клетки являются минеральные кислоты и щелочи. При обработке растительного сырья кислотой лигнин остается нерастворимым, а целлюлоза и гемицеллюлоза гидролизуются. При кислотном гидролизе кроме низкомолекулярных углеводов образуются лигнин и токсичные компоненты - фурфурол, метилфурфурол, метанол, формальдегид и низкомолекулярные кислоты и эфиры, которые делают производство экологически грязным и опасным для окружающей среды и, в частности, для обслуживающего персонала и жителей близлежащих регионов.

Проблема использования лигнина является самой трудной проблемой, которая не нашла решения до сих пор. После проведения гидролиза в гидролиз-аппарате остается 30% (от исходного растительного сырья) твердого вещества в виде лигнина, пропитанного серной кислотой. Удаляют лигнин из аппарата прямо в открытый аппарат - сцежу, т.е. в атмосферу попадает лигнин, серная кислота, метанол, уксусная кислота, фурфурол, метилфурфурол и другие низкомолекулярные летучие токсичные продукты. Все вышеперечисленное привело к закрытию предприятий, основанных на химическом гидролизе растительного сырья.

При щелочном гидролизе происходит частичное растворение лигнина, но при этом происходит и разрушение углеводов, поэтому этот метод не нашел практического применения.

В патенте US 7262331 описан способ получения жидкого топлива из пульпы, которая для получения продукта подвергается воздействию высокой температуры 280°С и затем воздействию высокого давления 100-250 бар. При этом происходит разрыв и белков и полисахаридов, но разрыв происходит беспорядочный, поэтому их нельзя использовать в качестве источника моноуглеводов.

В патенте РФ 2284355 используется способ гидролиза растительного сырья серной кислотой и нейтрализация гидролизата аммиачной водой. При таком методе получения углеводов происходит разрушение углеводов и образование токсических соединений - фурфурол, метилфурфурол, метанол и сульфатированный лигнин. При удалении которого из аппарата в окружающий воздух попадают перечисленные токсичные компоненты.

В US 6908995 этанол получают из биомассы, в том числе из бурых водорослей (ламинарии) при нагревании в водном растворе щелочи (20-40%) для разрушения лигнин-целлюлозного комплекса. При этом способе не происходит гидролиза полисахаридов до моноуглеводов, поэтому получается низкий выход и в гидролизатах содержатся токсичные компоненты - индол, низкомолекулярные эфиры, толуол и другие бензольные соединения.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ разжижения и осахаривания содержащих полисахариды биомасс, описанный в заявке ЕА 200701127.

Известное изобретение относится к способу разжижения и осахаривания содержащих полисахариды биомасс, имеющих относительно высокое содержание сухого вещества, выше 20%, и предпочтительно состоящих из относительно крупных волокон и частиц, с таким распределением размера волокон и частиц, при котором по меньшей мере 20% (мас./мас.) биомассы находится в диапазоне 26-70 мм. Кроме того, способ применим для разжижения и осахаривания содержащих полисахариды биомасс, главным образом состоящих из крахмала, очищенного крахмала, целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, например зерна или пшеничной соломы. В случае лигноцеллюлозных биомасс их предварительно обрабатывают, подвергая воздействию температур от 110 до 250°С в течение 1-60 мин, что обеспечивает доступность целлюлозы для ферментов и в то же время обеспечивает ограниченное содержание ингибиторов ферментации в предварительно обработанной биомассе. В настоящем изобретении объединяют ферментативный гидролиз, основанный на комбинации гидролитических ферментов, включая фермент, вызывающий гидролиз углеводов, и окислительный фермент, с перемешиванием, основанным на принципе действия силы тяжести, обеспечивающим приложение к биомассам механических сил, главным образом усилия сдвига и силы разрыва. Предпочтительными типами перемешивания являются, например, перемешивание в смесителях, работающих по принципу свободного падения, таких как смесители барабанного типа, смесители на основе опрокидывания или сходные смешивающие устройства.

В основном, данный способ разработан применительно к растительным объектам, содержащим в качестве запасных полисахаридов крахмал, содержание которого может доходить до 50-60%, или биомассы, содержащей целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. В этих случаях сначала проводят предварительную обработку биомассы воздействием высокой температуры от 110°С до 250°С в течение 5-15 мин, а затем ферментативная обработка окислительным и протеолитическим ферментами, что приводит к разрушению клеточной стенки, в частности белков клеточной стенки. Это позволяет обеспечить доступ целлюлазы к фибрилам целлюлозы и амилазы к крахмалу. При этом не разрываются связи лигнина с гемицеллюлозой и пектина с целлюлозой.

Такой метод обработки сопровождается окислением полисахаридных цепочек с получением органических кислот, а также образованием ароматических токсичных соединений. Кроме того, обработка биомассы при высокой температуре приводит к карамелизации углеводов, разрушению пептидов и серосодержащих аминокислот. При такой предварительной обработке доступ к целлюлозе обеспечивается только на 40-50%, а остальная целлюлоза остается негидролизованной и недоступной для действия ферментов, но такой способ обработки позволяет полностью гидролизовать крахмал.

Недостатками прототипа являются:

- большие потери сырья за счет окисления части образовавшейся глюкозы в органические кислоты,

- при обработке целлюлозолигнинованного комплекса происходит неполное освобождение целлюлозы и пектина от связи их с гемицеллюлозой и лигнином, что приводит к неполному гидролизу целлюлозы и гемицеллюлозы до моносахаридов;

- образование лигнина, насыщенного серной кислотой, который не имеет применение и выбрасывается в окружающую среду, что приводит к нарушению экологии;

- это уменьшает выход моносахаридов и снижает выход конечного готового продукта;

- на таких гидролизатах можно получать только технические и кормовые, но не пищевые продукты. Кроме того, чтобы дальше использовать гидролизаты в качестве компонента питательной среды, необходимо вводить стадию очистки от токсичных продуктов - ароматических соединений.

Задачей данного изобретения является разработка экологически чистого и экономичного способа получения углеводов из полисахаридных комплексов водорослей, которые в дальнейшем можно было бы использовать не только для производства этанола и БАВ, но и для получения пищевых продуктов.

Анализ химического состава водорослей показывает, что, прежде всего, они являются источником различных биологически активных веществ (БАВ). Так, по содержанию витаминов ламинариевые и фукусовые водоросли в 100-1000 раз превосходят наземные растения.

Первоначально интерес к водорослям возник в связи с возможностью их использования в качестве источника белка.

Большая часть морских растений представлена группой водорослей, имеющих, как правило, относительно простую структуру. Водоросли представляют собой микроскопические одноклеточные растения, но отдельные экземпляры могут достигать в длину более 80 м. В отличие от наземных растений, у которых фотосинтез происходит лишь в определенных частях растений - в листве, то у морских водорослей в фотосинтезе принимает участие вся поверхность водорослей. Благодаря простой структуре и большому отношению площади поверхности к объему морские водоросли эффективно поглощают солнечную энергию, поэтому продуктивность некоторых морских водорослей гораздо больше, чем продуктивность наземных растений.

По структуре клеточной стенки очень много общего у морских водорослей и у наземных растений, но по содержанию полисахаридов они отличаются. Содержание воды в водорослях составляет 85-90%, сухие вещества водорослей содержат 52-65% органических веществ, т.е. 1 кг сухих водорослей содержит 300-400 г полисахаридов.

У водорослей мы встречаем в качестве запасных продуктов не крахмал, а разнообразные по составу гомо- и гетерополисахариды и сульфатированные полисахариды (агар, каррагинан). В клеточной стенке водорослей находятся только целлюлоза, гемицеллюлоза и пектин, в то время как у наземных растений в состав клеточных стенок входит и лигнин, содержание которого составляет до 30%.

Органические вещества бурых водорослей состоят из углеводов (73-74%), азотистых веществ (5-15%), липидов (1-3%), пигментов и витаминов. В различных водорослях обнаружено несколько типов полисахаридов: целлюлоза (35% от содержания углеводов), гемицеллюлоза (15%), ламинаран (10-15% от углеводов), альгиновые кислоты (15-20%), сульфатированные глюканы - фукоиданы, агар и каррагинаны (их содержание может составлять до 20-30%) и маннит. Сульфатированные полисахариды после отделения сульфатных групп под действием ферментов - десульфатаз, как и другие полисахариды, после гидролиза гидролитическими ферментами (целлюлазами, целлобиазами, гемицеллюлазами, ксиланазами и глюконазами) образуют моносахара - глюкозу, ксилозу, маннозу, фукозу, галактозу и пентозы.

Наибольшее содержание полисахаридов обнаруживается у Z. saccharina, F. vesisulosus, F. Distichus. Причем содержание маннита в ламинариевых водорослях доходит до 30%, а в фукосовых до 20%. Кроме маннита ламинарии содержат до 15-20% веществ, легко подвергающихся ферментативному гидролизу до гексоз и пентоз.

Таким образом, водоросли - хороший углеводный субстрат, который после предварительного ферментативного гидролиза маннита, целлюлозы, гемицеллюлозы, пектина будет содержать моносахара, хорошо усваиваемые микроорганизмами. Наряду с этим морские водоросли представляют полноценную питательную среду, в которой содержится как источник углерода, так и органического азота (аминокислоты).

Известно, что среднее количество биомассы, которое дают водоросли, составляет 15-25 г/м² сухой массы в сутки, а максимальная скорость роста водорослей достигает 30-40 г/м².

Для решения поставленной задачи предлагается способ получения углеводов гидролизом полисахаридных комплексов водорослей, включающий реакцию ферментативного гидролиза с получением углеводов, дополнить предварительным химическим гидролизом полисахаридных комплексов водорослей с помощью пергидроля (Н₂O₂). Реакцию ферментативного гидролиза предлагается проводить с помощью комплексов ферментов - целлюлаз, гемицеллюлаз и пектиназ. Тогда как реакции химического и ферментативного гидролиза предлагается проводить последовательно в многосекционном реакторе барабанного типа.

Дополнительными отличиями является то, что

- комплекс ферментов дополнительно содержит десульфатазы,

- в качестве полисахаридных комплексов водорослей используют промысловые водоросли, например бурые (Laminariales japonica, L. Dentiqera, Fucus sp.), красные (Ahnfeltia plicata, Furcellaria tastigiata), зеленые;

- реакцию химического гидролиза проводят при температуре 50-60°С;

- реакцию ферментативного гидролиза проводят при температуре 45-80°С;

- время проведения реакции химического гидролиза составляет 30-60 мин;

- время проведения ферментативного гидролиза составляет 120 мин;

- в качестве комплексов ферментов применяют комплекс, содержащий Дистицим, Вискофло и десульфатазу, которые вносятся в соотношении 0,1:0,1:0,2 г каждого на 100 г водорослей.

- в качестве комплексов ферментов применяют комплекс, содержащий Целлолюкс, Вискофло и десульфатазу, которые вносятся в соотношении 0,1:0,1:0,2 г каждого на 100 г водорослей.

В качестве комплексов ферментов возможно использовать другие ферментативные комплексы, например содержащий Ультрафло Л, Оллзайм ПТ и церемикс.

Ультрафло Л (фирма Novozymes) - термостабильный мультиактивный препарат, содержащий целлюлазу, глюконазу, ксиланазу и пектиназу, и Оллзайм ПТ (фирма OLTEX) и церемикс (фирма Novozymes), содержащие грибковую целлюлазу, экзо В-глюконазу и эндо В-глюконазу. Данные препараты вносятся в соотношении 0,1:0,1:0,1 г каждого на 100 г водорослей.

Во втором варианте предлагаемого способа, относящегося к использованию сухой биомассы, перед проведением реакции химического гидролиза предлагается проводить замачивание полисахаридных комплексов водорослей в 1:5-1:10.

Примеры выполнения предлагаемого изобретения

Пример 1: Ферментативный гидролиз в лабораторном масштабе

Предварительно увлажненную морскую водоросль со средним размером примерно 3×5 см, соответствующую 100 г сухой массы, помещали в емкость типа квадрата, сплетенного из металлической сетки, которую помещали в водяную баню. Прокачивали через нее подогретую жидкость насосом или помещали в барабанную емкость с вращающимся барабаном. В одной секции проводили обработку сырья Н₂О₂ в течение 30-40 мин при концентрации 0,3-0,5% H₂O₂. В следующей секции проводилась отмывка от остатков перекиси водорода. Одновременно с обесцвечиванием происходит гидролиз полисахаридов до олигосахаридов, то есть это приводит к уменьшению длины полисахаридной цепи. После отмывания сырья от перекиси водорода в следующую секцию подавался раствор комплексного фермента. Ультрафло Л (термостабильный мультиактивный препарат В-глюконазы, целлюлозная, ксиланозная, пентозаназная, арабаназная активность), Оллзайм ПТ и церемикс (грибковая целлюлоза, экзо В-глюконаза и эндо В-глюконаза). Перед подачей ферментативного комплекса к увлажненным водорослям добавляем 1N HCl для удаления поливалентных ионов (Ca⁺², Mg⁺²). После достижения рН 5,0-5,5 раствор ферментативного комплекса приливали к водорослям (в соотношении 0,1:0,1: 0,1 г на 100 г водорослей), затем водоросли промывали таким же объемом воды.

Анализ моносахаров после действия комплекса ферментов показал, что количество редуцирующих веществ увеличилось в 3,5 раза, при действии каждого фермента в отдельности количество редуцирующих веществ увеличивается значительно меньше - на 50-90%, и в растворе определяется моносахарид манноза, примерно 2,5 г в литре раствора.

При добавлении пергидроля уровень редуцирующих веществ увеличивается на 50-60%.

Пример 2: Ферментативный гидролиз в лабораторном масштабе

Предварительно увлажненную морскую водоросль со средним размером примерно 3×5 см, соответствующую 100 г сухой массы, помещали в емкость типа квадрата, сплетенного из металлической сетки, которую помещали в водяную баню, и прокачивали через нее подогретую жидкость насосом или помещали в барабанную емкость.

В одной секции проводили обработку сырья пергидролем (Н₂О₂) в течение 30-40 мин при концентрации 0,3-0,5% Н₂O₂. В следующей секции проводилась отмывка водой от остатков перекиси водорода. Объем подаваемой воды равен соотношению водоросли: вода 1:5.

После завершения отмывки в емкость с водорослями подается водный раствор ферментного препарата целлолюкс, вискофло и десульфатаза (соотношение ферментов: 0,1:0,1:0,2 г на 100 г водорослей) рН 5,0+/-0,3. Процесс проводится при перемешивании в течение 120 мин при 50°С+/-5°С и рН 5,0+/-0,3.

Анализ моноуглеводов после окончания ферментативного гидролиза показал, что количество редуцирующих веществ увеличилось в 2,5-3,0 раза. При действии каждого фермента в отдельности отмечалось увеличение количества редуцирующих веществ на 70-110%. Следовательно, при совместном действии ферментов проявляется синергидное действие. Вероятно, ферменты гидролизуют различные виды полисахаридов в водорослях, что и сопровождается явлением синергизма. При добавлении десульфатазы (0,2 г) в растворе определяется галактоза - 2,5 г/л.

Пример 3. Ферментативный гидролиз в пилотном масштабе

Предварительно взвешенную суховоздушную массу водорослей со средним размером примерно 5-10 мм (предварительно помещаем в дезинтегратор для размельчения до нужного размера). Помещаем в стандартную 4-секционную стиральную машину. Каждая секция выкладывалась соответствующей металлической сеткой, не пропускающей помещенные водоросли. В I секцию после загрузки увлажненных водорослей подавали разбавленную 0,3-0,5% перекись водорода. Время обесцвечивания 30 мин при вращении барабана. По окончании стадии обесцвечивания барабан останавливается и раствор сливается. В эту же секцию подается вода в соотношении 1:5 для удаления остатка пергидроля. Затем сюда же заливается раствор ферментов - Ультрафло Л, Оллзайм ПТ, церемикс и десульфатазу. Процесс гидролиза проводится при температуре 50+/-5°С, рН 5,0+/-0,3 в течение 120 мин, при вращающимся барабане. В этот период под действием гемицеллюлазы и ксиланазы происходит ферментативный гидролиз гемицеллюлозы и пектиновых компонентов до маннозы, галактозы, арабиногалактуроновой и маннануроновой кислот. Гидролиз данных групп полисахаридов позволяет освободить фибриллы целлюлозы. На следующем этапе происходит под действием целлюлазы гидролиз целлюлозы и моносахаров (глюкозы). Одновременно под действием десульфатазы происходит десульфатирование полисахарида каррагинана, который в дальнейшем гидролизуется до галактозы.

После окончания стадии ферментативного гидролиза надосадочная жидкость содержит низкомолекулярные полисахариды и моносахара, вращение барабана останавливали и жидкую фазу сливали в приемную емкость V=20 м³. Затем в эту же секцию для промывки оставшихся водорослей заливали объем воды 1,2 и включали вращение барабана в течение 15-20 мин. Затем барабан останавливали и жидкую фазу сливали в приемную емкость к слитой жидкой фазе.

Полученный раствор моносахаридов использовали как источник моносахаров на стадии ферментации при культивировании микроорганизмов.

Проведение полного технологического процесса в пилотной установке подтвердило вышеописанные экспериментальные данные в примере 2. В частности, после окончания процесса гидролиза в присутствии комплекса ферментов содержание редуцирующих веществ увеличилось в 3,0 раза, т.е. количество углеводов было равно 5,0 г/л. В жидкой фазе методом газовой хроматографии были идентифицированы глюкоза, манноза, галактоза и фукоза. Все перечисленные углеводы хорошо утилизируются при росте микроорганизмами.

При использовании предлагаемого способа не образуются токсичные и вредные вещества, что делает данный способ безопасным и экологически чистым.

Применение материала, полученного данным способом, возможно для приготовления питательной среды для получения этанола, антибиотиков, ферментов и аминокислот, а также для получения пищевых и кормовых добавок.

При производстве биоэтанола из морских водорослей стоимость сырья снизится на 30%, если производство будет построено на берегу моря, где будут собираться водоросли (например, берег Баренцевого моря). Плантации водорослей в Баренцевом море ориентировочно составляют 0,1 тыс га, что обеспечит производство (90×200=18000 тыс литров) 18 млн литров биотоплива. Сегодня стоимость биотоплива составляет 40-50 центов. При использовании моносахаридов, полученных из водорослей, составит 15-20 центов за литр. Внедрение данного способа позволит снизить стоимость бензина для автотранспорта в 1,5-2,0 раза.

1. Способ получения углеводов гидролизом полисахаридных комплексов водорослей, включающий реакцию ферментативного гидролиза с получением углеводов, отличающийся тем, что предварительно проводят реакцию химического гидролиза полисахаридных комплексов водорослей с помощью пергидроля (Н₂О₂), ферментативный гидролиз проводят с помощью комплексов ферментов целлюлаз, гемицеллюлаз и пектиназ, причем реакции химического и ферментативного гидролизов осуществляют последовательно в многосекционном реакторе барабанного типа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что комплекс ферментов дополнительно содержит десульфатазы.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве полисахаридных комплексов водорослей используют промысловые водоросли, например бурые (Laminariales japonica, L. Dentiqera, Fucus sp.), красные (Ahnfeltia plicata, Furcellaria tastigiata).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что реакцию химического гидролиза проводят при температуре 50-60°С.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что реакцию ферментативного гидролиза проводят при температуре 45-80°С.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что время проведения реакции химического гидролиза составляет 30-60 мин.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что время проведения реакции ферментативного гидролиза составляет 120 мин.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве комплексов ферментов применяют комплекс, содержащий Дистицим, Вискофло и десульфатазу, которые вносятся в соотношении 0,1:0,1: 0,2 г каждого на 100 г водорослей.

9. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве комплексов ферментов применяют комплекс, содержащий Целлолюкс, Вискофло и десульфатазу, которые вносятся в соотношении 0,1:0,1: 0,2 г каждого на 100 г водорослей.

10. Способ получения углеводов гидролизом полисахаридных комплексов водорослей, включающий реакцию ферментативного гидролиза с получением углеводов, отличающийся тем, что предварительно проводят замачивание полисахаридных комплексов водорослей в соотношении 1:5-1:10, затем реакцию химического гидролиза с помощью пергидроля (H₂O₂), ферментативный гидролиз проводят с помощью комплексов ферментов целлюлаз, гемицеллюлаз и пектиназ, причем замачивание, а также реакции химического и ферментативного гидролизов осуществляют последовательно в многосекционном реакторе барабанного типа.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что комплекс ферментов дополнительно содержит десульфатазы.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве полисахаридных комплексов водорослей используют промысловые водоросли, например бурые (Laminariales japonica, L. Dentiqera, Fucus sp), красные (Ahnfeltia plicata, Furcellaria tastigiata), зеленые.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что реакцию химического гидролиза проводят при температуре 50-60°С.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что реакцию ферментативного гидролиза проводят при температуре 45-80°С.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что время проведения реакции химического гидролиза составляет 30-60 мин.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что время проведения реакции ферментативного гидролиза составляет 120 мин.

17. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве комплексов ферментов применяют комплекс, содержащий Дистицим, Вискофло и десульфатазу, которые вносятся в соотношении 0,1:0,1: 0,2 г каждого на 100 г водорослей.

18. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве комплексов ферментов применяют комплекс, содержащий Целлолюкс, Вискофло и десульфатазу, которые вносятся в соотношении 0,1:0,1:0,2 г каждого на 100 г водорослей.