СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭТАНОЛА ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК C12P7/06 

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно, к способам получения этанола.

Известен способ получения этанола из свекловичной и тростниковой мелассы (Технология спирта под ред. В.А.Маринченко и В.А.Смирнова, М. Легкая и пищевая пром-ть, 1981, с. 252-270). В этом способе для переработки мелассы в этанол используются дрожжи Saccharomyces cerevisiac.

Известен также способ получения этанола из крахмалсодержащего растительного сырья картофеля, зерновых злаков (Технология спиртового и ликеро-водочного производства. Г.И.Фертман, М.И.Шойхет, М. Пищевая пром-ть, 1973, с. 15-20). Недостатком этих способов получения этанола является использование пищевого и дорогостоящего сырья.

В настоящее время существует способ получения этанола из растительных гидролизатов (древесины) с помощью спиртообразующих дрожжей Sacch. cerevisiae или Schigosacch pombe (Технология спирта. Под ред. В.А.Маринченко и В.А. Смирнова. М. Легкая и пищевая пром-ть, 1981, С7 231-238). Недостатком этого способа получения этанола из гидролизатов древесины является то, что содержащиеся в древесных гидролизатах пентозы не сбраживаются дрожжами Sacch. cerevisiae или Sch. pombe. Это приводит к значительному количеству остаточных сахаров в барде выделения спирта (недоброд составляет 0,7 0,9% остаточных PB). Поэтому для получения спирта основным сырьем служит древесина хвойных пород, которая в отличие от лиственной древесины, содержит значительно меньше пентозанов.

Существуют штаммы дрожжей, сбраживающие ксилозу (пятичленный сахар) в этанол, которые относятся к видам Pachysolen Zannophilus (пат. США N 4359534, кл. C 12 P 7/06, 1982; США N 4477569, кл. C 12 P 7/06, 1984; США N 4663284, кл. C 12 P 7/06), Pichia stipitis, Candida shehatae (пат. Франции N 2545838, кл. C 12 P 7/08, 1984).

В литературе описан способ получения этанола путем сбраживания пентозанов гидролизатов кукурузной кочерыжки дрожжами Pachysolen Zannophilus (Besic S. Grba S. Fermentation of hydrolyzate of corn stover hemicellulose to ethanol by Pachysolen tannophlus. Kem. Ind. 1990, v. 39, N 2, p. 57-67.

Однако, данный способ не может быть использован для повышения выхода этанола из гидролизатов древесины, так как гексоза (преобладающие в древесине) и пентозы эффективно сбраживаются равными видами дрожжей при различных условиях проведения процесса.

В качестве прототипа выбран способ получения этанола из целлюлозосодержащего материала (кукурузной кочерыжки), предусматривающий двухстадийный гидролиз растительного сырья с получением предгидролизата, содержащего 0,8% ксилозы и 0,2% глюкозы, и гидролизата, содержащего 4% глюкозы, с последующим сбраживанием раствора глюкозы в проточном реакторе с иммобилизованными клетками дрожжей Sacch. cerevisiae (пат. США N 4355108, кл. C 12 P 7/10, 1982).

Способ предусматривает возможность сбраживания также и предгидролизата в аналогичном проточном реакторе с иммобилизованными клетками Fusarium oxysporum или Candida utilis с последующим соединением бражки, полученной после сбраживания гидролизата, перегонкой и ректификацией.

Способ характеризуется тем, что процесс ведут в анаэробных условиях, что не позволяет достичь высоких выходов этанола из ксилозы, а также тем, что условия гидролиза гемицеллюлозного материала не позволяют перерабатывать древесное сырье.

Задачей изобретения является созданием высокоэффективного способа получения этанола из древесного сырья за счет раздельного сбраживания целлюлозной и гемицеллюлозных фракций лиственной древесины. Задача решается следующим образом: этанол получают по способу, предусматривающему двухстадийный гидролиз растительного сырья с получением гексозной и пентозной частей, сбраживание гексозной части дрожжами Sacch. cerevisiae типовым способом и пентозной части гидролизата дрожжами Pachysolen tannophilus ВКПМУ-1532 P. tannophilus ВКПМ У-1533, P. tannophilus ВКПМУ-1634, Candida tropicalis ВКПМ У-1633 или Candida shehatae ВКПМ У-1632 при температуре 30-32^oC, pH= 4,3-4,5, перемешиваний и аэрации до достижении кислорода в среде 0,5-3,0% соединение бражки, полученной из пентозной и гексозной частей гидролизата с последующей перегонкой и ректификацией.

Предлагаемый способ получения этанола из растительных гидролизатов осуществляется следующим образом.

Лиственная древесина подвергается кислотному гидролизу по способу двухстадийного перколяционного гидролиза с раздельным отбором пентозной и гексозной фракций.

Подготовку сусла осуществляют по типовой схеме, включающей стадии продувки гидролизата паром нейтрализации, продувки воздухом и задачи питательных солей, содержащих азот и фосфор. Сусло, содержащее гексозы, сбраживают дрожжами Sacch. cerevisiae "Я" в анаэробных условиях по периодической схеме.

Сусло, содержащее пентозы, сбраживают одним из видов дрожжей P. tannophilus, C. tropicalis или C. shehatae. Процесс проводят при ограниченном доступе кислорода по периодической схеме. Бражку соединяют с бражкой, полученной после сбраживания гексозной части гидролизата, и подвергают перегонке и ректификации по известной технологии.

По сравнению и известными источниками информации новизна изобретения заключается в том, что проводят сбраживание пентозной части гидролизата при перемешивании и аэрации до достижения концентрации кислорода в среде 0,5-3,0% а в качестве целлюлозного материала используют древесину.

Изобретательский уровень заключается в том, что биохимический процесс превращения ксилозы пентозного гидролизата в этанол осуществляется через реакцию изомеризации ксилозы в ксилулозу с участием восстановленного НАД, в которой молекулярный кислород является конечным акцептором электронов. Поэтому принудительная аэрация при сбраживании пентозной части гидролизата способствует увеличению выхода этанола.

Пример 1. Используют пентозную и гексозную фракции гидролизата древесины лиственных пород, полученные методом двухстадийных варок с раздельным отбором фракций. При подготовке гексозной части гидролизата проводят двухступенчатую нейтрализацию известковым молоком до pH=3,5 и аммиачной водой до pH= 4,3-4,5 при непрерывной перемешивании воздухом при T=85^oC, охлаждают до T=45^oC, продувают воздухом в течение 60 мин и задают питательные соли.

Сусло, содержащее 2,52% редуцирующих веществ, из которых глюкозы - 1,915% маннозы 0,05% ксилозы 0,065% арабинозы 0,04% и питательные соли в количестве сульфата аммония 0,02% и суперфосфата 0,014% сбраживает дрожжами Sacch. cerevisiae.

Прессованные дрожжи (влажность 75%) задают в количестве 20 г/л. Брожение ведут в колбах Эрленмейера объемом 750 мл, содержащих 400 мл сусла, при t^o= 32-34^oC. По окончании процесса бражку декантируют. Количество этанола в бражке определяют методом газовой хроматографии на приборе Vista 6000 (Varian, США).

Условия хроматографирования: колонна металлическая 2000 x 3 мм, наполнитель-хромосорб-101, t^o колонки 100^oC, t^o испарителя - 120^oC, газ-носитель гелий, расход 20 мл/мин, внутренний стандарт - изобутиловый спирт.

Концентрация этанола в бражке составила 9,0 ±0,6 г/л, выход от сброженных гексоз составил 46%
При подготовке пентозной части гидролизата проводят извлечение летучих ингибиторов гидролизных сред путем продувки паром до содержания фурфурола 0,029% оксилитилфурфурола 0,081% летучих органических кислот 0,148% Окисление веществ лигнофуранового комплекса проводят путем продувки гидролизата воздухом до их содержания 0,521% Нейтрализацию осуществляют известковым молоком до pH=4,3-4,5. Питательные соли задают в количестве сульфата аммония 0,05% калия фосфорнокислого двузамещенного 0,015% сульфата магния 0,007% Подготовленный гидролизат, содержащий 3,77 редуцирующих веществ, разбавляют водопроводной водой в 2 раза.

Сусло, содержащее 0,72% ксилозы, 0,02% рамнозы, 0,08% арабинозы, 0,30% маннозы, 0,38% глюкозы и 0,05% галактозы используют для сбраживания дрожжами ВКПМ У-1532.

Биомассу дрожжей ВКПМ У-1532 для брожения получают в два этапа. На первом выращивают посевной материал в колбах Эрленмейера объемом 750 мл со 100 мл среды, содержащей 2% ксилозы, 2% пентона и 0,5% дрожжевого экстракта, на термостатированной круговой качалке при 100 об/мин, t^o=30-32^oC в течение 24 ч. Второй этап включает непосредственно накопление биомассы, которое осуществляют в аналогичных условиях на субстрате, содержащем пентозо-содержащее гидролизное сусло и среду, состава которой приведен выше, смешанные в соотношении 1: 1. Посевной материал, полученный на первом этапе, вносят в количестве 10 об. Биомассу отделяют центрифугированием.

Брожение осуществляют в двух колбах емкостью 250 мл, содержащих по 100 мл пентозосодержащего гидролизного сусла и биомассу дрожжей P. tannophlus ВКПМ У-1532 в концентрации 20 г/л (влажность биомассы 75%). Процесс ведут на лабораторной установке для культивирования микроорганизмов УВНТ-12250 при частоте вращения 100 об/мин и t^o=30-32^oC. Концентрация кислорода составляет 0,5-3,0% от полного насыщения среды. Концентрация этанола в бражке составила 3,9 ±0,3 г/л, выход от сбраживаемых P. tannophlus сахаров 26,7%
По окончании процесса 200 мл бражки, полученной из пентозной части гидролизата, соединяют с 400 мл бражки, полученной из гексозной части гидролизата, и подвергают перегонке и ректификации. Всего из 500 мл гидролизата получено 4,2±0,3 г этанола или 5,2±0,2 мл этилового спирта крепостью 96 об.

Пример 2. Способ, описанный в примере 1, повторяют, за исключением того, что для сбраживания пентозной части гидролизата используют дрожжи P. tannophilus ВКПМ У-1533.

Концентрация этанола в бражке, полученной после ферментации пентозо-содержащей части, составила 4,5±0,4 г/л, выход от сбраживаемых сахаров составил 30,7%
Всего после перегонки и ректификации бражки, полученной путем объединения сброженных пентозного и гексозного сусла, получено 4,4±0,2 г этанола или 5,5±0,2 мл этилового спирта крепостью 96 об.

Пример 3. Способ, описанный в примере 1, повторяют, за исключением того, что для сбраживания пентозной части гидролизата используют дрожжи C. tropicalis ВКПМ У-1633. Концентрация этанола в бражке, полученной после ферментации пентозосодержащей части, составила 5,2±0,3 г/л, выход от сбраживаемых сахаров составил 35,5%
Всего после перегонки и ректификации бражки, полученной путем объединения сброженных пентозного и гексозного сусла, получено 4,5±0,3 г этанола или 5,5±0,2 мл этилового спирта крепостью 96 об.

Пример 4. Способ, описанный в примере 1, повторяют, за исключением того, что для сбраживания пентозной части гидролизата используют дрожжи C. shehatae ВКПМ У-1632.

Концентрация этанола в бражке, полученной после ферментации пентозосодержащей части, составила 5,6±-,4 г/л, выход от сбраживаемых ксилозы и галактозы составил 38,2%
Всего после перегонки и ректификации бражки, полученной путем объединения сброженных пентозного и гексозного сусла, получено 4,6 ±0,4 г этанола или 5,7±0,3 мл этилового спирта крепостью 96 об.

Пример 5. Способ, описанный в примере 1, повторяют, за исключением того, что процесс проводят в аппарате марки Biostat (Brown, ФРГ) емкостью 1,5 л с термостатированной рубашкой, турбинной мешалкой и барботером. Сбраживание гексозной части гидролизата проводят дрожжами Sacch. cerevisiae. "Я" при t^o= 32-34^oC, pH=4,5 и частоте вращения мешалки 50 об/мин. Начальная концентрация биомассы дрожжей 20 г/л (влажность 75%). Концентрация этанола в бражке составила 9,4±0,5 г/л, выход от сброженных гексов составил 48%
Сбраживание неразбавленной пентозной части гидролизата с содержанием ксилозы 1,45% маннозы 0,60% глюкозы 0,77% гелактозы 0,11% рамнозы 0,04% и арабинозы 0,157% проводят дрожжами P. tannophilus ВКПМ У-1634 при t^o=32^oC. Подачу воздуха и обороты мешалки регулируют для поддержания концентрации растворенного кислорода в среде 1-2% от полного насыщения. Концентрация этанола в бражке составила 8,5±0,3 г/л, выход от сбраживаемых сахаров составил 29,0%
По окончании процесса 1200 мл бражки, полученной из гексозной части гидролизата, соединяют с 300 мл бражки, полученной из пентозной части гидролизата, и подвергают перегонке и ректификации.

Всего с 1500 мл бражки получено 13,4±0,5 г этанола или 16,6 мл этилового спирта крепостью 96 об.

Как видно из приведенных примеров, при сбраживании пентозной фракции растительных гидролизатов специальными штаммами дрожжей, выход этанола составляет 26,7 38,2% от суммы сбраживаемых этими дрожжами сахаров. Тогда из 1 т а.с. в лиственной древесины (береза) при раздельном сбраживании целлюлозной и гемицеллюлозной фракций можно получить:
1. При сбраживании целлюлозной фракции:
1000•0,3940•0,7•0,82•0,94•0,46•0,97= 94,8 кг этанола или 117,7 л этилового спирта крепостью 96 об.

где: 0,3940 коэффициент, учитывающий содержание трудногидролизуемых полисахаридов;
0,70 коэффициент, учитывающий выход редуцирующих веществ при гидролизе;
0,82 коэффициент, учитывающий выход моносахаров (доля от РВ);
0,94 коэффициент, учитывающий выход гексоз (доля от суммы моносахаров);
0,46 коэффициент конверсии гексоз в этанол;
0,97 коэффициент, учитывающий потери при перегонке и ректификации.

2. При сбраживании гемицеллюлозной фракции:
1000•0,2554•0,95•0,78•0,98•0,32•0,97= 57,5 кг этанола или 71,4 л этилового спирта крепостью 96 об.

где 0,2554 коэффициент, учитывающий содержание легкогидролизуемых полисахаридов;
0,95 коэффициент, учитывающий выход редуцирующих веществ при гидролизе;
0,78 коэффициент, учитывающий выход сахаров (доля от РВ);
0,98 коэффициент, учитывающий содержание сахаров, сбраживаемых специализированными штаммами дрожжей;
0,32 коэффициент конверсии сахаров в этанол;
0,97 коэффициент, учитывающий потери при перегонке и ректификации.

Таким образом, при переработке лиственной древесины (березы) в этанол по предлагаемому способу выход спирта из 1 т а.с.в. за счет сбраживания гемицеллюлозы увеличивается до 189,1 л (крепостью 96 об.) по сравнению с 135,3 л, получаемыми при обычной технологии.

Использование: микробиология, гидролизное производство. Сущность изобретения: растительное сырье подвергают двухстадийному гидролизу с раздельным отбором гексозной и пентозной фракций, осуществляют подготовку сусла, гексозную часть направляют на сбраживание, пентозную ферментируют в присутствии штамма дрожжей, взятого из ряда Pachysolen tannophilus ВКПМ У-1532, P. tannophilus ВКПМ У-1634, Candida tropicalis ВКПМ У-1633, Candida shenatal ВКПМ У-1633, Candida shehatal ВКПМ У-1632, при T = 30-32^oC, pH = 4,3-4,5, перемешивании и аэрации, культуральную жидкость соединяют с бражкой, полученной из гексозной части, и направляют на перегонку и ректификацию. Положительный эффект: комплексная переработка древесины в этанол.

Способ получения этанола из целлюлозного материала, предусматривающий двухстадийный его гидролиз с получением гексозной и пентозной части, подготовку сусла и сбраживание гексозной части дрожжами Saccharomyces cerevisial и пентозной части дрожжами Pachysolen tannophilus, Candida tropicalis или Candida shehatae, соединение бражки, полученной от сбраживания гексозной части гидролизата, с бражкой, полученной от сбраживания пентозной части гидролизата, с последующей перегонкой и ректификацией, отличающийся тем, что для сбраживания пентозной части гидролизата используют штаммы дрожжей из ряда Pachysolen tannophilus ВКПМ У-1532, Pachysolen tannophilus ВКПМ У-1533, Pachysolen tannophilus ВКПМ У-1634, Candida tropicalis ВКПМ У-1633, Candida shehatae ВКПМ У-1632, при этом процесс ведут при 30 32^oС, рН 4,3 3,5, перемешивании и аэрации до достижения концентрации кислорода в среде 0,5 - 3,0% а в качестве целлюлозного материала используют древесину.