Способ получения сахаросодержащих гидролизатов для производства биотоплива (биоэтанола)
Владельцы патента RU 2538390:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН (RU)
Изобретение относится к области спиртовой промышленности, а именно к способу получения гидролизатов из топинамбура для производства биоэтанола. Способ получения сахаросодержащих гидролизатов из топинамбура предусматривает промывку сырья, его измельчение и гидролиз. Гидролиз проводят в среде ацетатного буфера при рН 4,5-5,0 по действием собственных инулиназ топинамбура совместно с препаратами целловиридин Г20х и пектофоетидин Г20х, взятыми в соотношении 1:1. Изобретение позволяет увеличить степень гидролиза биомассы топинамбура и выход сахаров в сусле после гидролиза для производства биотоплива. 1 табл., 2 пр., 1 ил.
Изобретение относится к спиртовой промышленности, а именно к способу получения гидролизатов из топинамбура для производства биотоплива (биоэтанола). Топинамбур (или земляная груша) - многолетнее растение, происходящее из Северной Америки. Является ценным кормовым растением, достаточно широко применяется как пищевое и техническое растение. Достаточно широко культивируется в США, Франции, Великобритании, Швеции, Норвегии, а также в России. Клубни топинамбура содержат ценные полисахариды, такие как фруктозаны, в том числе инулин 45-80,0%, целлюлозу 2,3-6,4% и пектины - до 5,9% от абсолютно сухих веществ (а.с.в.), при гидролизе которых образуются сбраживаемые в спирт углеводы.
Известен способ производства этилового спирта из топинамбура (патент РФ №2161652, опубликован 10.01.2001 г.), выбранный за прототип, включающий измельчение клубней топинамбура, получение сусла путем гидролиза измельченной массы под действием собственных инулиназ сырья, активированных вводом в среду ионов Ca+2 в виде сульфата, асептирование сусла с использованием антибиотика низин, сбраживание производственными дрожжами, полученными путем поэтапного пересева на среды со снижением в них доли традиционного крахмалсодержащего компонента.
К недостаткам известного способа относится низкий выход сахаров, обусловленный неполным гидролизом биомассы клубней под действием собственных инулиназ сырья, которые не способны гидролизовать целлюлозу и пектины.
Задачей изобретения является разработка нового способа получения сахаросодержащих гидролизатов для производства биотоплива (биоэтанола).
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение степени гидролиза и выхода сахаров в сусле после гидролиза.
Технический результат достигается тем, что в способе получения сахаросодержащих гидролизатов для производства биотоплива (биоэтанола), характеризующемся тем, что проводят промывку, измельчение клубней топинамбура, согласно изобретения осуществляют гидролиз измельченной массы в среде ацетатного буфера с pH 4,5-5,0 под действием собственных инулиназ сырья, активированных вводом в среду ионов Ca2+, с добавлением смеси препаратов целловиридин Г20х и пектофоетидин Г20х, взятых в соотношении 1:1.
Способ осуществляют следующим образом. Топинамбур моют, измельчают, измельченное сырье смешивают с раствором препаратов целловиридин Г20х и пектофоетидин Г20х в 0,1 М ацетатном буфере с pH 4,5-5,0 и добавляют соль сульфата кальция. При необходимости дополнительно устанавливают pH среды 4,5-5,0 предпочтительно с помощью 0,1 М уксусной кислоты и гидролизуют при температуре 50°С в течение 2-х часов. Далее гидролизат из топинамбура охлаждают до 22 - 24°С, вносят для асептирования раствор низина, промышленные дрожжи и направляют на брожение.
Изобретение поясняется рис.1, на котором показана динамика образования сахаров (без учета свободных сахаров в сырье) при гидролизе топинамбура под действием комплекса инулиназ сырья, активированных ионами Ca2+, смесью препаратов целловиридин Г20х и пектофоетидин Г20х после инактивации инулиназ, а также под действием комплекса инулиназ сырья совместно со смесью препаратов целловиридин Г20х и пектофоетидин Г20х, взятых в соотношении 1:1. Удельные скорости образования сахаров на начальной стадии гидролиза составили соответственно 3,7×10-2, 12,6×10-2 и 31.8×10-2 мг/мин×мг белка. Сравнение полученных данных показывает, что скорость гидролиза топинамбура под действием новой мультиэнзимной композиции, состоящей из комплекса гидролаз топинамбура и смеси препаратов целловиридин 120x и пектофоетидин Г20х, взятых в соотношении 1:1, не определяется простым сложением скоростей гидролиза отдельными комплексами, а является результатом взаимного усиления их действия.
Механизм действия новой мультиэнзимной композиции заключается в следующем: пектиназы препарата пектофоетидин Г20х разрушают пектин клеточных стенок биомассы топинамбура и увеличивают их доступность к действию целловиридина Г20х. В результате этого происходит более быстрый цитолиз клеток биомассы и переход в раствор связанных углеводов и инулина, который разрушается комплексом собственных инулиназ топинамбура. В целом это приводит к увеличению степени гидролиза биомассы топинамбура и выхода сбраживаемых сахаров.
Эффективность разных ферментных препаратов и их композиций, оцененная по удельным скоростям образования сахаров при гидролизе топинамбура (в пересчете на глюкозу), приведена в таблице 1.
| Таблица 1 | |
| Препарат/композиция | Удельная скорость гидролиза, мг/мин × мг белка |
| Целловиридин Г20х | 2.8×10-2 |
| Пектофоетидин Г20х | 2.2×10-2 |
| Пектомацерин Г3х | 2.2×10-2 |
| Глюкаваморин Г20х | 2.3×10-2 |
| Целловиридин Г20х - Пектомацерин Г3х (1:1) | 4.3×10-2 |
| Целловиридин Г20х - Глюкаваморин Г20х (1:1) | 4.5×10-2 |
| Пектофоетидин Г20х - Пектомацерин Г3х (1:1) | 3.3×10-2 |
| Пектофоетидин Г20х - Глюкаваморин Г20х (1:1) | 3.1×10-2 |
| Целловиридин Г20х - Пектофоетидин Г20х (2:1) | 4.8×10-2 |
| Целловиридин Г20х - Пектофоетидин Г20х (1:2) | 4.3×10-2 |
| Целловиридин Г20х - Пектофоетидин Г20х (1:1) | 12.6×10-2 |
Пример 1 (прототип). Для приготовления гидролизата 77,4 г промытых клубней топинамбура с содержанием полисахаридов 21% и влаги 76% измельчают до частиц размером не более 3 мм, затем смешивают с водой в соотношении 1:0,5 и добавляют 0,01% CaSO4 от массы топинамбура. Проводят ферментативный гидролиз при естественном pH среды топинамбура в течение 2-х часов при 55°С. Степень гидролиза составляет 75.6%, выход сахаров - 63.7 мг/г а.с.в.
Пример 2. Для приготовления гидролизата 77,4 г (100 мл) промытых клубней топинамбура с содержанием полисахаридов 21% и влаги 76% измельчают до частиц размером не более 3 мм, затем смешивают с 50 мл 0,6%-ного раствора смеси препаратов целловиридин Г20х и пектофоетидин Г20х (1:1 по массе) в 0,1 М ацетатном буфере с pH 4,5-5,0, добавляют 0,01% CaSO4 от массы топинамбура и проводят ферментативный гидролиз в течение 2-х часов при 50°С. Степень гидролиза составляет 92.2%, выход сахаров - 919.4 мг/г а.с.в.
Способ получения сахаросодержащих гидролизатов для производства биоэтанола, характеризующийся тем, что проводят промывку, измельчение клубней топинамбура и осуществляют гидролиз измельченной массы в среде ацетатного буфера с pH 4,5-5,0 под действием собственных инулиназ сырья, активированных вводом в среду ионов Ca+2, с добавлением смеси препаратов целловиридин Г20х и пектофоетидин Г20х, взятых в соотношении 1:1.
