Способ подготовки растительного сырья к ферментативному гидролизу Советский патент 1991 года по МПК C13K1/02 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано в гидролизном производстве для получения чистых и высококонцентрированных растворов Сахаров с целью последующего приготовления на их основе пищевой глюкозы, сорбита, маннита либо дальнейшей переработки их на различные продукты микробиологического синтеза (спирт, дрожжи, лимонная кислота, аминокислоты и т.п.).

Цель изобретения - увеличение выхода целлюлозной массы, повышение степени ее биоконверсии в гексозные сахара и сокращение времени биоконверсии.

Процесс обработки растительного сырья происходит за счет сочетания процессов гидролиза и окисления древесных компонентов (оксигидролиз), осуществляемых а одну ступень. Наряду с реакционноспособным лигнином получают водный раствор продуктов гидролиза гемицеллюлоз и волокнистый целлюлозный субстрат. Лигноугле- водный комплекс разрушается, высвобождающиеся фрагменты лигнина под действием растворителя и кислоты переходят в раствор, где интенсивно окисляются с потерей молекулярной массы и образованием мономерных продуктов (ванилин, сиреневый альдегид и т.п.).

Гемицеллюлозы и полиуроновые кислоты при использовании минеральных или органических кислот гидролизуются до моно- и олигосахаридов.

Образовавшаяся целлюлоза превращается в сахар за счет культивирования на ней целлюлолитических ферментов в экологически чистых условиях без образования побочных продуктов и токсичных стоков.

О

ел ю со ел

OJ

Способ обработки растительного сырья позволяет значительно повысить селективность процесса делигнификации растительного сырья, улучшить гидрофильность целлюлозной массы, снизить молекулярную массу образующихся фрагментов лигнина, а также значительно уменьшить вторичные конденсационные процессы. Следствием этого является повышение выхода целлюлозной массы из растительного сырья при более мягких условиях его выделения, что позволяет в дальнейшем получить высокую степень биоконверсии целлюлозной массы в гексозные сахара при ферментативном гидролизе.

В качестве источника сырья испытаны образцы сосновой древесины в виде щепы производственной рубки стандартных размеров, не содержащей коры и гнили.

Химический состав сосновой щепы приведен в табл.1.

В качестве источников сырья испытаны также образцы однолетнего сырья (кукурузная кочерыжка) и лиственной древесины (осина), характеризующихся различной морфологической структурой, химическим составом и природой структурных фрагментов исходных лигнинов, которые имеют сиренгиловые и гваяцило- вые фенилпропановые структуры.

Во всех случаях применяли щепу производственной рубки, освобожденную от коры и сучков, кукурузную кочерыжку измельчали на дробленку на мельнице сухого помола.

Способ осуществляют следующим образом.

Обработку исходного растительного сырья проводят во вращающемся автоклаве в среде этанола и воды в присутствии молекулярного кислорода в количестве 4,1-6,3% от массы исходного абс.сух. растительного сырья при 140-160°С и в присутствии кислотного катализатора (минеральных или органических кислот) в одну ступень при продолжительности 60-120 мин. Соотношение низшего алифатического спирта (этанола) и воды составляет соответственно 40-60 : 60-40 (об.%). Жидкостный модуль равен 3- 7.

Нагрев содержимого автоклава до заданной температуры производят в течение 60 мин с выдержкой при конечной температуре 60-120 мин. Молекулярный кислород для окисления лигнина подается в автоклав из баллона. По завершении процесса варки автоклав охлаждают, целлюлозную массу выгружают, отделяют от жидкой фазы на полотняном фильтре и промывают водой.

Ферментативный гидролиз целлюлозных образцов осуществляют в термостатированных ячейках, снабженных магнитной мешалкой. Используют целлюлолитический комплекс, продуцируемый грибом Trichoderma virlde (промышленный препарат Целловиридин). Для,снятия катаболи- ческой репресии по целлобиозе добавляют препарат пектофоетидин из расчета 0,05 г/г субстрата.

Ферментативный гидролиз осуществля0 ют следующим образом.

Навеску целлюлозы по абс.сух. массе 0,5+0,0001 г помещают в бюкс, заливают ацетатным буфером (15 мл), рН раствора 4,5, после чего вносят раствор ферментов (5 мл).

5 Бюкс герметизируют, помещают в термостатированную ячейку и ставят на магнитную мешалку. Концентрация целлюлозной массы в ячейке 2,5%. Процесс обработки целлюлозы ферментом ведут в течение 72 ч

0 при 42 ±0,5°С. По окончании обработки содержимое бюкса разделяют на центрифуге на жидкую и твердую фазы. В жидкой фазе определяют содержание Сахаров. Осадок после центрифугирования высушивают

5 и взвешивают.

Пример. 50 г абс. сух. щепы осины обрабатывают водно-спиртовым раствором (60% этанола), гидромодуль 7, расход серной кислоты 0,2% от абсолютно сухого

0 сырья (а.с.с.). Подъем температуры до конечной (150°С) 60 мин, выдерживание при 150°С 60 мин, после чего автоклав охлаждают. Расход молекулярного кислорода на обработку 5,2% от а.с.с. Выход целлюлозной

5 массы (остатка) 83,3% от а.с.с., содержание в нем лигнина 12,2%. Степень биоконверсии целлюлозного остатка в гексозы при ферментативном гидролизе культуральной жидкостью гриба Trichoderma virlde 46,6%

0 от абсолютно сухой массы (а.с.м.). Выход гексоз34.1% от а.с.с.

Пример 2. 50 г абс. сух. щепы осины обрабатывают водно-спиртовым (60% этанола) раствором, гидромодуль 7. Катализа5 тор - ортофосфорная кислота, расход 0,5% от а.с.с. Продолжительность обработки при 150°С 90 мин. Расход молекулярного кислорода 4,1 % от а.с.с. Выход целлюлозной массы 66,8% от а.с.с., содержание лигнина 8,5%. Степень биоконверсии целлюлозной

0 массы в гексозы 80,0% от а.с.м. Выход гек- соз 48,9 % от а.с.с

Пример 3. 50 г абс. сух. щепы осины обрабатывают водно-спиртовым (60% этанола) раствором, гидромодуль 7. Расход ка5 тализатора (ледяной уксусной кислоты) 10% от а.с.с. Продолжительность обработки при 150°С 90 мин. Расход молекулярного кислорода 4,8% от а.с.с. Выход целлюлозной массы 52,8% от а.с.с., содержание лигнина

4,2%. Степень биоконверсии целлюлозной массы в гексозы 89,5% от а.с.м. Выход гек- соз 45,3% от а.с.с.

В табл.2 показана степень превращения целлюлозной массы в гексозы под действием культуральной жидкости Trlchoderma virlde в зависимости от способа ее подготовки.

Предлагаемый диапазон температур и времени обработки исходного растительного сырья являются оптимальными для выхо- да Сахаров. Снижение температуры ниже 140°С ведет к снижению выхода Сахаров. При температуре выше 160°С происходит окисление растворителя - этанола.

Обработка древесины водно-этаноль- ным раствором в присутствии кислотных катализаторов (H2SC4 НзРСм. СНзСООН) и окислителя(молекулярный кислород)позволяет получить легко перерабатываемую ферментами целлюлозную массу. Фермен-

тативный гидролиз кислород-этанолсольво- лизной целлюлозной массы дает высокий выход гексоз, ускоряет процесс, делает его экономически выгодным, при этом 52-58% углеводов от исходной древесины превращаются в утилизируемые на кормовые дрожжи или сбраживаемые на этиловый спирт сахара.

Формула изобретения Способ подготовки растительного сырья к ферментативному гидролизу путем его обработки.молекулярным кислородом в смеси этанола и воды в присутствии катализатора, отличающийся тем, что. с целью увеличения выхода целлюлозной массы, повышения степени ее биоконверсии в гексоз- ные сахара и сокращения времени биоконверсии, в качестве катализатора используют минеральную или органическую кислоту, а процесс осуществляют при 140- 160°С.

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано в гидролизном производстве для получения чистых и высококонцентрированных растворов Сахаров. Цель изобретения - увеличение выхода целлюлозной массы, повышение степени ее биоконверсии в гексозные сахара и сокращение времени биоконверсии. Обработку исходного растительного сырья проводят в среде этанола и воды в присутствии молекулярного кислорода в количестве 4,,3% от массы исходного абс.сух.сырья при температуре 140 160°С в присутствии кислотного катализатора (минеральных или органических кислот) в одну ступень при продолжительности 60-120 мин. Соотношение этанола и воды составляет соответственно,40-60 60-40 (об.%). гидромодуль равен 3-7. 2 табл. ё

Таблица 1

Вид обработки

Щепа сосновой древесины после щелочной предобработки в смеси этанола и воды в соотношении 50Z : 50Z в присутствии молекулярного кислорода при 65°С в течение 120 мин (20°С - 20 мин), (известный способ)

Обработка щепь: сосновой древесины в смеси этанола и воды 50Z : 50Z в присутствии молекулярного кислорода и серной кислоты 0.2Z от а.с.с. при в течение 60 мин (предлагаемый способ)

Осина

Сосна

Кукурузная кочерыжка

Осина

Осина

Вид катализатора и кол-во, Z от а.с.с.

95,3

23,0

3,4

3,2

Едкий

натрий

173

150

56,9

726

52,2

29,7

4

75,8

19,3 46,6 82,8 84,1 95,8 89,4

94,0 92,1 80,0 89,5

41,8

15,6 34,1 46,0 51,7 58,1 44,9

41,6 43,9 48,9 45,3

о ел

143 СО

ел со