СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА ИЗ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО СЫРЬЯ Российский патент 2023 года по МПК C12P7/10 C12P7/06 

Изобретение относится к способам получения биоэтанола из растительного сырья.

Возрастающая мировая потребность в энергии, неустойчивые и дорогие нефтяные ресурсы, а также вопросы по изменениям глобального климата побудили к разработке возобновляемых источников энергии, которые могут дополнить ископаемые запасы топлива. В связи с этим лигноцеллюлозная биомасса обладает высоким потенциалом для производства биотоплив (например, биоэтанола) и других ценных веществ, основанного на концепции биопереработки.

Промышленным источником получения современного биоэтанола служит биомасса различного происхождения. Традиционным сырьем для получения биоэтанола являются сахаросодержащее сырье (сахарный тростник, сахарная свекла), а также крахмалосодержащее сырье (картофель и зерновые культуры). Однако эти виды сырья являются пищевыми, их использование не только дорого, но и может ухудшать продовольственную безопасность. Биоэтанол второго поколения производят из непищевого сырья: древесины, морских водорослей, целлюлозосодержащего недревесного сырья, такого как отходы сельского хозяйства и биомасса энергетических растений.

Известно, что нативное целлюлозосодержащее сырье достаточно прочное, поскольку матрица растения состоит из нескольких полимеров: целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, которые в совокупности образуют композиционный материал, более устойчивый к действию физических и химических факторов, чем отдельные компоненты. Для того чтобы расщепить индивидуальные полимеры, необходимо разрушить композитную матрицу, для чего нативное сырье необходимо подвергнуть химической или физико-химической обработке. После разрушения композитной матрицы необходимо провести деструкцию полимеров до мономеров: целлюлозы до глюкозы, гемицеллюлозы до мономерных пентоз и гексоз. Эту деструкцию можно проводить химическим или ферментативным гидролизом.

Ферментативный гидролиз лигноцеллюлозы проводится в мягких условиях, что в отличие от химического гидролиза исключает образование токсичных полупродуктов, а также гарантирует высокий выход сбраживаемых сахаров.

Полученный раствор мономеров подвергают спиртовому брожению и с помощью встроенных ферментных систем микроорганизмов (дрожжей или бактерий) превращают в бражку - суспензию, состоящую из воды, биоэтанола, побочных и вторичных веществ, образующихся при брожении, твердых частиц непрореагировавшего лигноцеллюлозного субстрата и клеток микроорганизмов. Биоэтанол выделяют из бражки мембранными методами или путем ректификации.

Изучение уровня техники выявило сходные по своей сути известные технические решения, например, способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного материала по патенту США №7189306, который включает предварительную обработку, ферментативный гидролиз, спиртовое брожение ферментативных гидролизатов и выделение биоэтанола из бражки.

К недостаткам описанного способа следует отнести сложность подготовки лигноцеллюлозного сырья для производства биоэтанола, а именно необходимость применения энергоемкого парового взрыва для создания высокого давления и использования в процессе дорогостоящего оборудования - ректификационной колонны специальной конструкции.

Наиболее близким является способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья по патенту РФ №2581799, включающий предварительную обработку сырья, ферментативный гидролиз, спиртовое брожение ферментативных гидролизатов, выделение биоэтанола из бражки.

К недостаткам описанного способа следует отнести необходимость использования специального механического оборудования при предварительной обработке сырья для проведения ферментативного гидролиза. В результате механической обработки происходит разрушение матрицы сырья под воздействием силы тяжести, в том числе усилий сдвига и разрыва, возникающих между материалом и барабаном, а также сил, создаваемых при столкновении падающего материала и днища барабана.

Задачей предлагаемого технического решения является создание эффективного способа получения биоэтанола из лигноцеллюлозного быстровозобновляемого сырья, позволяющего осуществить промышленное масштабирование процесса с использованием стандартного оборудования.

Поставленная задача решается предлагаемым способом получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья, который включает делигнификацию сырья при атмосферном давлении, ферментативный гидролиз, спиртовое брожение, выделение биоэтанола из бражки, при этом делигнификацию сырья с влажностью 36% осуществляют при атмосферном давлении разбавленной уксусной кислотой с концентрацией 10% при 94-96°С с добавлением 30%-ного раствора перекиси водорода, дистиллированной воды и концентрированной серной кислоты. Ферментативный гидролиз осуществляют при рН 5,0 при температуре 45°С в течение 5 ч. В качестве сырья используют быстровозобновляемое лигноцеллюлозное сырье: мискантус.

Предлагаемое техническое решение отличается от ближайшего аналога тем, что делигнификация сырья с влажностью 36% осуществляют при атмосферном давлении разбавленной уксусной кислотой с концентрацией 10% при 94-96°С с добавлением 30%-ного раствора перекиси водорода, дистиллированной воды и концентрированной серной кислоты. Ферментативный гидролиз осуществляют при рН 5,0 при температуре 45°С в течение 5 ч, а в качестве сырья используется быстровозобновляемое лигноцеллюлозное сырье: мискантус.

Целью делигнификации является изменение физических особенностей и химического состава/структуры гидролизуемой части сырья, что делает целлюлозу более доступной для ферментативного гидролиза и превращения ее в раствор Сахаров. В предлагаемом техническом решении химическая обработка проводится при атмосферном давлении, что позволяет использовать при масштабировании процесса простое стандартное емкостное оборудование, а также создать более безопасные условия труда, чем в случае использования режимов обработки сырья под давлением.

Для сырья с влажностью 36% (мискантус) предлагается использовать делигнификацию в следующей последовательности: при атмосферном давлении добавление разбавленной уксусной кислоты с концентрацией 10% при 94-96°С с добавлением 30%-ного раствора перекиси водорода, дистиллированной воды и концентрированной серной кислоты. Основной функцией действия кислоты является гидролиз гемицеллюлоз и разрушение структуры лигнина таким образом, чтобы у делигнифицированного сырья повысилась доступность целлюлозной фракции для ферментов, это эффективно для влажного сырья.

Цель ферментативного гидролиза - деструкция полимеров до мономеров. Целлюлоза расщепляется до глюкозы, гемицеллюлозы до мономерных пентоз и гексоз. Для ферментативного гидролиза используются доступные коммерческие ферментные препараты, обладающие целлюлазной активностью. Ферментативный гидролиз проводится ферментом «Целлюлад Ультра» в мягких условиях: активная кислотность 5,0 ед. рН, при температуре 45°С в течение 5 ч, что исключает образование токсичных полупродуктов, а также гарантирует высокий выход сбраживаемых сахаров. При указанной активной кислотности достигаются наибольшие выходы редуцирующих веществ, при отклонении в большую или меньшую сторону от указанного уровня активной кислотности выход редуцирующих веществ значительно снижается (на 30% и более), что связано с конформационными изменениями молекул ферментов и снижением ферментативной активности.

При температуре 45°С зафиксированы максимальные выходы редуцирующих веществ. Снижение температуры гидролиза ниже 35°С приводит к потере выхода сахаров на 10%, что можно объяснить уменьшением скорости химической реакции при понижении температуры согласно правилу Вант-Гоффа. Повышение температуры выше 65°С критично по причине температурной денатурации фермента, объясняемой потерей четвертичной или третичной структуры белка при нагревании, и приводит к снижению выхода редуцирующих веществ на 50%.

Целью стадии спиртового брожения является превращение редуцирующих веществ среды в биоэтанол с помощью ферментных систем консорциума микроорганизмов различных родов и видов. В предлагаемом техническом решении спиртовое брожение проводится с помощью микроорганизмов Pichia stipites Y7124, Candida shehatae NCL3501, Kluyveromyces marxianus Y-4290 и Zymomonas mobilis 113, соотношение микроорганизмов 1:1:1:1.

Проведение одновременного процесса ферментативного гидролиза и спиртового брожения позволяет сократить продолжительность стадий в 2,5 раза и исключить фильтрацию промежуточного продукта - ферментативного гидролизата. Это позволит уменьшить затраты при получении биоэтанола и упростить технологический процесс, что важно для его успешного масштабирования.

В качестве бысторовозобновляемого лигноцеллюлозного сырья в предлагаемом способе используется мискантус, который является технической культурой, отводить под который плантации плодородных пахотных земель нет необходимости. После 15 лет вегетация плантации прекращается и закладывается новая. Расчет сделан исходя из минимальной продуктивности мискантуса в условиях Западной Сибири (10 т/га/год). Таким образом, за 15 лет продуктивность плантации мискантуса составит 185 т с гектара, накопление же биомассы лиственных пород за этот же период составляет 54-68 т с га. Результаты определения химического состава подтверждают содержание лигнина 20%, гемицеллюлозы 20%.

Методом газожидкостной хроматографии установлено, что ферментативный способ гидролиза целлюлозы лигноцеллюлозного сырья позволяет получать биоэтанол с низким содержанием эфиров и сивушных масел. Метанол в биоэтаноле отсутствует.

В предлагаемом техническом решении стадию выделения биоэтанола можно проводить любым известным способом с применением стандартного оборудования.

Для пояснения описанного технического решения ниже приведены примеры заявляемого способа.

Пример 1

Мискантус с влажностью 36% подвергают делигнификации при атмосферном давлении разбавленной уксусной кислотой с концентрацией 10% (30 мл) при 94-96°С с добавлением 30%-ного раствора перекиси водорода (20 мл), дистиллированной воды (50 мл) и концентрированной серной кислоты (2 мл). Полученную бесцветную целлюлозу отделяют центрифугированием при 3900±50 об/мин и промывают двумя порциями дистиллированной воды.

Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде. Температура гидролиза 45°С, активная кислотность устанавливается на уровне 5,0 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 80 г/л. Фермент вносят следующим образом: «Целлюлад Ультра» в расчете 30 мг фермента на 1 л субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 5 ч. Затем вносят консорциум засевных дрожжей (Pichia stipites Y7124, Candida shehatae NCL3501, Kluyveromyces marxianus Y-4290 и Zymomonas mobilis 113, соотношение микроорганизмов 1:1:1:1) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т мискантуса составляет 25,5 дал.

Пример 2

Мискантус с влажностью 36% подвергают делигнификации при атмосферном давлении разбавленной уксусной кислотой с концентрацией 10% (30 мл) при 94-96°С с добавлением 30%-ного раствора перекиси водорода (20 мл), дистиллированной воды (50 мл) и концентрированной серной кислоты (2 мл). Полученную бесцветную целлюлозу отделяют центрифугированием при 3900±50 об/мин и промывают двумя порциями дистиллированной воды.

Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде. Температура гидролиза 65°С, активная кислотность устанавливается на уровне 5,0 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 80 г/л. Фермент вносят следующим образом: «Целлюлад Ультра» в расчете 20 мг фермента на 1 л субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 10 ч. Далее вносят консорциум засевных дрожжей (Pichia stipites Y7124, Candida shehatae NCL3501, Kluyveromyces marxianus Y-4290 и Zymomonas mobilis 113, соотношение микроорганизмов 1:1:1:1) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т мискантуса составляет 15,3 дал.

Пример 3

Мискантус с влажностью 36% подвергают делигнификации при атмосферном давлении разбавленной уксусной кислотой с концентрацией 10% (30 мл) при 94-96°С с добавлением 30%-ного раствора перекиси водорода (20 мл), дистиллированной воды (50 мл) и концентрированной серной кислоты (2 мл). Полученную бесцветную целлюлозу отделяют центрифугированием при 3900±50 об/мин и промывают двумя порциями дистиллированной воды.

Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде. Температура гидролиза 35°С, активная кислотность устанавливается на уровне 5,0 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 80 г/л. Фермент вносят следующим образом: «Целлюлад Ультра» в расчете 40 мг фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 3 ч. Далее вносят консорциум засевных дрожжей (Pichia stipites Y7124, Candida shehatae NCL3501, Kluyveromyces marxianus Y-4290 и Zymomonas mobilis 113, соотношение микроорганизмов 1:1:1:1) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т мискантуса составляет 10,6 дал.

Таким образом, предлагаемый способ эффективен и технологически целесообразен, реализуется на стандартном оборудовании и позволяет получить биоэтанол из лигноцеллюлозного сырья, отличающегося высокой урожайностью и экономическим потенциалом выращивания. Реализация способа позволит удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи с получением технического результата - увеличения выхода биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья (25,5 дал против 8,5-20,5 дал по ближайшему аналогу).

Изобретение относится к спиртовой промышленности. Способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья предусматривает делигнификацию сырья при атмосферном давлении, совмещение стадий ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки. При этом в качестве сырья используют мискантус, делигнификацию сырья с влажностью 36% осуществляют при атмосферном давлении разбавленной уксусной кислотой с концентрацией 10% при 94-96°С с добавлением 30%-ного раствора перекиси водорода, дистиллированной воды и концентрированной серной кислоты. Ферментативный гидролиз осуществляют при рН 5,0 при температуре 45°С в течение 5 ч ферментом Целлюлад Ультра. Сбраживание осуществляют с использованием консорциума засевных дрожжей Pichia stipites Y7124, Candida shehatae NCL3501, Kluyveromyces marxianus Y-4290 и Zymomonas mobilis 113, взятых в соотношении 1:1:1:1. Изобретение обеспечивает выход биоэтанола с 1 т сырья равный 25,5 дал. 3 пр.

Способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья, включающий делигнификацию сырья при атмосферном давлении, совмещение стадий ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки, отличающийся тем, что в качестве лигноцеллюлозного сырья используют мискантус, делигнификацию сырья с влажностью 36% осуществляют при атмосферном давлении разбавленной уксусной кислотой с концентрацией 10% при 94-96°С с добавлением 30%-ного раствора перекиси водорода, дистиллированной воды и концентрированной серной кислоты, ферментативный гидролиз осуществляют при рН 5,0 при температуре 45°С в течение 5 ч при внесении «Целлюлад Ультра» в расчете 30 мг фермента на 1 л субстрата, далее вносят консорциум засевных дрожжей Pichia stipites Y7124, Candida shehatae NCL3501, Kluyveromyces marxianus Y-4290 и Zymomonas mobilis 113, взятых в соотношении 1:1:1:1, и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием.