Практика 7: Биотехнология переработки растительного сырья в этанол. Способы предобработки растительного сырья. Способы предобработки растительного сырья Ферментолиз лигноцеллюлозы протекает медленно, что обусловлено с тремя факторами: целлюлоза в лигноцеллюлозе имеет устойчивую кристаллическую структуру: лигнин, окружающий целлюлозу, создает физический барьер для ферментов; немногочисленность возможных точек контактов ферментов с целлюлозой. Установлено, что целлюлоза в лигноцеллюлозе находится как в виде кристаллов, так и в виде аморфных компонентов. Аморфные компоненты разрушаются ферментами быстрее, чем кристаллические, поэтому любые способы, которые способствуют увеличению содержания аморфной целлюлозы в лигноцеллюлозе, ускоряют процесс ферменто- лиза. Лигнин препятствует процессу ферментолиза еще в большей степени. В связи с этим требуется предобработка лигноцеллюлозы, которая сводится к разделению лигноцеллюлозы на лигнин и свободную целлюлозу, к увеличению поверхности соприкосновения ферментов и целлюлозы, что обеспечивает значительное ускорение процесса ферментолиза. Все способы предобработки подразделяют на физические и химические Наиболее часто применяют химические способы предобработки, с помощью которых можно не только разделить лигноцеллюлозу на фракции, но и провести ее химическую модификацию. Существуют эффективные способы предобработки растительных отходов с высоким содержанием лигноцеллюлозы. При производстве этилового спирта на крахмалсодержащем сырье также проводят предобработку, осуществляют разваривание субстрата. В целях снижения энергозатрат на стадии разваривания крахмалсодержащего сырья в зерновые замесы перед их пропариванием предлагается добавлять ацетилированные моноглицериды стеариновой кислоты, что снижает вязкость в 2 раза. Ультразвук — весьма эффективное средство для воздействия на физико-химические свойства веществ. Низкий коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую и высокая стоимость оборудования для создания ультразвуковых технологических полей долгое время препятствовали широкому применению ультразвука в промышленности, однако новые достижения в электронике, а также в конструировании ультразвуковых преобразователей значительно расширили область применения ультразвуковой техники, сделали ее промышленное использование экономически обоснованным. Ультразвуковая предобработка сырья подразумевает, прежде всего, ускоренную и по возможности полную экстракцию белково-углеводного содержимого из лигноцеллюлозных матриц растительного субстрата, что, несомненно, увеличит доступность поверхности целлюлозных структур молекулам фермента. Основной особенностью тепловой обработки продуктов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты является их быстрый объёмный нагрев. При этом тепловая энергия генерируется в самом продукте, вследствие его взаимодействия с СВЧ-полем. Целью проведения СВЧ-обработки овощей являлось размягчение растительных тканей сырья, инактивация окислительных ферментов при минимальных затратах энергии и исключение потерь сухих веществ овощей и плодов на этом этапе тепловой обработки при разных режимах обработки. При СВЧ-нагреве происходит гидролиз протопектина в растворимый пектин, коагулируются белки протоплазмы, цитоплазменная оболочка повреждается, осмотическое давление уменьшается и обрабатываемый продукт размягчается, а также увеличивается их клеточная проницаемость, что может обуславливать факт увеличения содержания водорастворимых антиоксидантов. Разрушение целлюлозы и гемицеллюлозы кислотным гидролизом или обработкой органическими растворителями требует больших затрат. Возникает проблема удаления кислот из продуктов гидролиза и регенерации растворителей. Промышленные производства этилового спирта на основе ферментативного гидролиза целлюлозы реализованы в США, Японии, Великобритании и других странах мира [36]. Технология основана на том, что целлюлозосодержащее — древесину, хлопчатобумажные ткани, рисовую и пшеничную солому, бумагу — измельчают и осахаривают коммерческим препаратом целлюлазой или обрабатывают культуральной жидкостью микроорганизмов Trichoderma viride или Trichoderma reesei. Полученный раствор глюкозы сбраживают с образованием спирта, используя дрожжи Saccharomyces cerevisiae Pichia или Rhizopus javanikus. Способ предусматривает присутствие в ферментационной среде целлюлазы, участвующей в превращении целлюлозы в глюкозу, и микроорганизма, образующего этанол из глюкозы. Исследование процесса ферментативного гидролиза целлюлозы фильтратами культуральной жидкости Trichoderma viride показало, что процесс ферментативного гидролиза наиболее активно протекает при температуре 45—50°С, следовательно, целесообразно использование термофильных штаммов микроорганизмов Предложен способ получения этилового спирта, по которому растительное сырье, содержащее лигноцеллюлозу, подвергают двухстадийному ферментативному гидролизу с раздельным отбором гексозной и пентозной фракций и использованию при сбраживании разных групп микроорганизмов. Гексозную фракцию направляют на сбраживание дрожжевыми микроорганизмами Sacharomyces serevisiae, а пентозную ферментируют в присутствии штамма дрожжей, взятых из ряда Pachysolen tonnophillus, Candida shenatal, при 30°C, pH = 4,3. Далее культуральные жидкости соединяют и направляют на перегонку и ректификацию. Описанный способ позволяет обеспечить комплексную переработку целлюлозосодержащего субстрата. Перспективные технологические схемы переработки растительного сырья в этанол Наиболее разработаны следующие технологии получения этанола из растительной биомассы: 1) одновременное осахаривание и брожение; 2) гидролиз концентрированными кислотами, нейтрализация и брожение; 3) гидролиз аммиаком и брожение; 4) паровое разрушение субстрата, гидролиз и брожение; 5) кислотное разрушение и брожение с помощью генетически измененных микроорганизмов; 6) концентрированный кислотный гидролиз, регенерация кислоты, брожение; 7) экстракция лигнина ацетоном, гидролиз целлюлозы и брожение; 8) ультразвуковая обработка субстрата, ферментная обработка и сбраживание полученных сахаров иммобилизованными клетками микроорганизмов. Одновременное осахаривание углеводсодержащего субстрата и сбраживание его в этиловый спирт. Растительную биомассу в ходе предгидролиза обрабатывают в 1,1 %-ом растворе серной кислоты при температуре 100°С в течение 10 мин, в результате чего удаляется до 93 % гемицеллюлозной фракции, увеличивается поверхность соприкосновения ферментов и целлюлозы; отмечается, что чем больше гемицеллюлозной фракции разрушено, тем легче протекает последующий ферментолиз целлюлозы. Предлагается обрабатывать целлюлозу ферментами, выделяемыми грибами Trichoderma reesei. Дрожжи и ферменты добавляют к остающейся лигноцеллюлозе, ферменты переваривают целлюлозу с образованием глюкозы. Глюкоза под действием микроорганизмов превращается в этанол. Потребление микроорганизмами глюкозы способствует более полному ферментолизу целлюлозы снижая эффект обратной связи. Подобраны ферментные комплексы, оптимальное действие которых лежит в том же температурном диапазоне, в котором происходит брожение глюкозы до этанола. Гидролиз концентрированными кислотами, нейтрализация и брожение. Растительную биомассу разрушают концентрированной кислотой. Технология основана на многократном гидролизе субстрата. Собранную и высушенную биомассу измельчают, на ситах отделяют определенную фракцию частиц. Далее субстрат поступает в чан, где происходит гидролиз под действием серной кислоты (7,65 %) при температуре 100 °С в течение 2 ч. Приблизительно 75 % гемицеллюлоз гидролизуется до ксилозы. Остающиеся твердые частицы (лигнин и целлюлоза) удаляют на стадии фильтрации и передают на следующую стадию гидролиза, куда также подается серная кислота и большая часть ксилозного потока. В результате получают смесь сахаров: пентозы и глюкозы в водном растворе при pH = 1,0. На стадии нейтрализации образуется гипс, отделяемый на вращающемся фильтре. Остающийся поток содержит глюкозу (11,6 %) и ксилозу (9,0 %). Брожение также проводится в две стадии. Сначала дрожжи Sacharomyces cerevisiae превращают глюкозу в этанол. От полученной смеси дистилляцией отделяют этанол, непреобразованную ксилозу передают на следующую стадию ферментации, где она сбраживается в этанол дрожжами Pachysolen tannophilus. Этанол также выделяется дистилляцией. Лигнин и клетки высушивают и сжигают. Гидролиз аммиаком и брожение. Обработку аммиаком предлагалось проводить при высоких давлениях в течение 30 мин при температуре от 25 до 90°С. Схема процесса представлена на рис. 2.10 [40]. При такой обработке повышается давление в порах субстрата, происходит кристаллизация целлюлозогемицеллюлозного комплекса, субстрат становится более доступен для воздействия ферментных комплексов целлюлаз. При сбросе давления аммиак фактически взрывается в субстрате. Преимущество этого процесса состоит в том, что в процессе обработки белок субстрата не разрушается и его можно использовать в качестве корма для животных. Паровое разрушение, гидролиз и брожение. В процессе парового взрыва биомасса раскалывается на частицы соответствующего размера. Твердые частицы перемещаются непрерывно через паровую реакторную трубку (электронную лампу), где материал буквально взрывается в момент вспышки. Когда давление сбрасывается, происходит автогидролиз гемицеллюлозы до ксилозы. Лигнин при такой обработке растворяется, растительная биомасса превращается в вязкий жидкий раствор целлюлозы и других полисахаридов, доступных для действия ферментов. Концентрированный кислотный гидролиз, регенерация кислоты и брожение. Рассматриваемая технология обеспечивает регенерацию серной кислоты. Схема технологического процесса изображена на рис. 2.13 [39]. Процесс состоит из шести основных стадий: измельчение сырья; гидролиз; разделение кислоты и сахара; регенерация кислоты; брожение сахара; дистилляция. Поступающую биомассу измельчают, высушивают, обрабатывают серной кислотой в такой концентрации, чтобы обеспечить отделение целлюлозы, гемицеллюлозы от лигнина. Нерастворимые вещества, преимущественно лигнин, отделяют от гидролизата, фильтруют, используя в дальнейшем его в качестве топлива. Для отделения кислоты от сахаров используют коммерчески доступные смолы, не допуская при этом растворения сахаров. Отделенную серную кислоту повторно используют на производстве. Кислотные примеси в сахарном потоке нейтрализуют известью, при этом образуется гипс. В некоторых случаях предлагается использовать гипс в качестве балласта в удобрениях. Сахарный поток, содержащий смесь гексо- и пентосахаров, поступает на стадию ферментации, где после добавления минерального питания и инокулята микроорганизмов протекает процесс брожения. Твердые частица, содержащие дрожжи, отделяют на центрифуге и повторно используют на стадии брожения. Этанол отделяют на стадии дистилляции и обезвоживания. Экстракция ацетоном лигнина, гидролиз целлюлозы, брожение. Способ предусматривает измельчение биомассы, обработку ацетоном при повышении температуры и давления выше нормальных значений, отделение фракции ацетона, содержащей лигнин, отделение ацетона от лигнина в процессе перегонки. После обработки ацетоном твердый осадок, содержащий целлюлозу и гемицеллюлозу, легко гидролизуется серной кислотой с образованием смеси моносахаров. При разработке процесса предусматривалось непрерывное извлечение лигнина, гидролиз целлюлозосодержащего материала и брожение сахара в этанол. Ультразвуковая обработка субстрата, ферментная обработка и сбраживание полученных сахаров иммобилизованными клетками микроорганизмов. На рис. представлена схема переработки целлюлозо- и крахмалсодержащего сырья, включающая ультразвуковую обработку субстрата, ферментативный гидролиз и сбраживание полученных продуктов иммобилизованными клетками микроорганизмов.
