Способ получения сахара из целлюлозусодержащего растительного сырья Советский патент 1982 года по МПК C13K1/02 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САХАРОВ ИЗ

ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАШЕГО РАСТИТЕЛЬНОГО

Изобретение относится к гидролизной промышленности, в частности к способам , получения Сахаров из целлюлозосодержащего растительного сырья, и может быть использовано в микробиологической, спиртовой, пищевой промышленноетях и для получения кормов.

Известен способ получения Сахаров из целлюлозосодержашего сырья, предусматриваюший адсорбцию целлюлолитических ферментов на сырье, гидролиз сырья, отделение жидкой фазы, содержащей олиго- сахариды, от непрореагировавших остатков с последующим гидролизом олигосахари- дов иммобилизованными целлюлозными ферментами, ковалентнр связанными с твердым носителем, до глюкозы и выделение глюкозы из вторичного гидролизата 1 .20

Недостатком данного способа юляется использование дорогостоящих иммобилизованных ферментов, что значительно удорожает процесс гидролиза. СЫРЬЯ

Известен способ получения Сахаров из целлюлозосодержашего сырья, предусматривающий адсорбцию целлюлолитических ферментов на деллюлозосодержащем сырье гидролиз сырья адсорбированными ферментами при рН 4-5 и 25- 50°С, отделение жидкой фазы, содержащей сахара, регенерацию высвобождающихся ферментов путем постоянного поддерживания избытка целлюлозы в реакционной смеси 2 .

Недостатком описанного способа является неполная регенерация целлюлолитического кмплекса за счет потерь ферментов, адсорбированных на непрогидролизованных остатках сырья.

Известен также способ гидролиза растительного сырья, согласно которому для увеличения выхода Сахаров в процессе гидролиза осуществляют принудительное подпрессование сырья до плотности 26ОЗОО кг/м абсолютно сухого сырья .Л} .

Наиболее близким техническим решением является способ получения Сахаров из целлюлозосодержащего раст1 тельпого сы- рья, предусматривающий адсорбшпо целлюлолитических ферментов на сырье, гидропиз его при рН 4,0 - 5,0 и 23 - 5О°С, отделение непрореагировавших остатков и гидролизата, содержащего сахар, промывку непрореагировавших остатков от ферментов и введение десорбирова1гаых ферментов в процесс, регенерацюо ферментов из пщролизата путем адсорбции их на вновь вводимом сьфье с последующим выводом гидролизата из процесса 4 . Недостатком данного способа является неполная адсорбция ферментов на сырье (около 5О%) вследствие низкого содержания сырья в реакционной камере-(5 10%-пая суспензия), что приводит к не полной регенеращш фермента, а также к снижению выхода Сахаров на единицу сырья н на единицу объема реактора. Кроме того, необходима подача фермента на стадию гидролиза только в виде сухого препарата и невозможно использование фермента в вгзде раствора, водной вытяжки технического препарата или кулътуральной ИЛДКОСТИ. Ыель изобретения - повышение выхода Сахаров на единицу сырья, а также более полное использование ферментов. Поставленная цель достш ается тем, что в способе получения Сахаров из целлюлозосодержашего растительного сырья, предусматривающем адсорбцию целлюлоли- тических ферментов на сырье, гидролиз его при кислых значениях рН и 25 - 50°С отделение непрореагировавиусс остатков и гидролиаата, содержащего сахара, промыв ку непрореагировавших остатков от ферме тов, адсорбцию ферментов из гидролизата путем пропускания его через сырье и выделение гидролизата, перед адсорбцией ферментов целлюлозосодержашее раститель ное сырье прессуют до плотности 0,2 0,8 г/см, адсорбцию с})ерментов на сьфье ведут при О , а отмывание непро- реагировавших остатков от ферментов осу шествляют при рН 6-9. При этом ферментный препарат используют в растворенном виде и пропускают раствор фермента через спрессованное сы рье со скоростью 0,5-10 объемов реактора/ч. Отделение гидролизата, содержащего сахара, осуществляют со скоростью 0,15 объемов реактора/сут, и в качестве целлюлоли тических ферментов используют комплексные препараты, содержащие эндо- глюканазу, целлобиогидролазу, экзоглюкозидазу, целлобиазу. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. При использовании ферментов в виде раствора Ш1и культуральной жидкости рИ раствора устанавливают 3,5 - 5,0 целлюлозосодержащее сырье прессуют до плотности 0,2 - 0,8 Г/СМ,, температуру сырья и раствора фермента поддерживают 5 25 С. Ферментный раствор пропускают через опрессованное сырье со скоростью 0,5- 10 объемов реактора/ч и затем заменяют буферным раствором рН 4,0-5,0, скорость его пропускания через сырье до 0,1-5 объемов реактора/сут, повьплают температуру сырья до 25-50°С и ведут гидролиз при постоянном удалении гидролизата, содержащего сахара. Полученный .гидролизат пропускают через вновь вводимое в процесс спрессованное сырье при 5 - 25С для адсорбции высвобождающтася при гидролизе ферментов. Гидроли- зат, пропущенный через сырье, имеет содержание Сахаров 3 - 1О%, из которых от 60 до 90% составляет глюкоза, а остальные 10 -40% - целлобиоза и ксилоза.. В тоже время в сиропах, получае(5ых по известному методу, как показьтают нащи данные, глюкоза редко превьпяаёт ЗО -4О% от общего содержания Сахаров, при использовании целлюлазных препаратов продуцента Т. VJride повышение относительного содержания глюкозы в гидролизатах при проведении процесса предлагаемым способом, возможно, объясняется более полной адсорбцией ферментов, образующих глюкозу, экзоглюкозидазы и целлобиазы. Гидролиза т может быть использован для выделения глюкозы в качестве компонента питательной среды при выращивании мшсроорганизмов, для получения спирта, для получения кормов. По мере накопления в процессе гидролпиза непрореагировавших остатков сырья их выводятиз зоны реакции и промьтают буферным раствором с рН6,0 9,О для десорбции ферментов. Раствор, содержащий десорбированные ферменты, подкисляют до рН 4,0 - 5,0 и вновь вводят в процесс гидролиза, а непрореагировавщие остатки удаляют. В качестве цеплюлозосодержащего сырья можно использовать отходы хлопка (линт, гузапая), деревообрабатьшающей (опилки), целлюлозно-бумажной, вискозной промьпиленности, городские отходы, отходы сельского хозяйства. В качестве ферментов могут быть и(Лользованы целлюлолитические комплексы, содержащие эндоглюканазу, целлобиазу, экзоглюкозидазу, целлобиогидролазу в виде культуральной яшдкости. полученной при вырацивании продуцентов целлюлазы, так1гх как Trichodermd viri 3e,Tfichoderma koninogii, dermd Qicjjnorum , deotrifiian candi olum, spercjieBos n-icijer, yflsperojiECus terreus, AsperojiQgus €oeticlus, Trictioderma tonqjitrdcliiatorn, и их смеси или препараты, выделенные из культуральной жидкссти или полученные путем поверхностного кулът1тирования, такие как целлокандин, целловиридин целлолигнорин, целлоконингин, пектофоетидин и их смеси. При использовании ферментного препарата в виде порошка сухое целлюлозосодержащее сырье перемеш5тают с ферментным препаратом, полученную смесь прессуют, устанавливают температуру 5 - 25С и через смесь пропускают буферный раствор с рН 4,0 - 5,0, темпеpa турой 5 - 25С, скоростью 0,5 - 1О объемов реактора/ч. По мере растворения ферментного препарата в процесс вводят новые порции сырья. После полного раст ворения фермента процесс осуществляют описанным способом. Пример 1. Ферментат шный гидро лиз делигнифидированных измельченных опилок проводят с использованием комплек ного препарата целлоконингин Пх. Из это- го препарата готовят водную вытяжку. Активность эндоглюканазы в вытяжке 8,5 ед/мл ; экзоглюкозидазы 1 ед/мл; целлобиогидролазы 1,0 ед/мл; целлобиазы 1 ед/мл. Делигнифицированные измельченные опилки суспендируют в буфере рН 4,5 и переносят в реактор для гидролиза колонного типа объемом 20 мл, оборудованный рубашкой для охлаждения или нагрева сырья. В реакторе опилки спрессо- вьюают до плотности 0,45 г/см , охлажда ют до 4°С и пропускают через него 14О м вытяжки ферментного препарата, значение рН вытяжки предварительно доводят до 4,5 уксусной кислотой. Вытяжку прокачивают через сырье со скоростью 0,5 объема реактора/ч ( 10 мл/ч), По окончании процесса сорбции устанавливают режим гидролиза, для чего температуру сырья с сорбированным ферментом доводят до . В зону гидролиза подается буферный раствор рН 4,5 со скоростью 4 объема реактора/сут. Гидролизат, содержавший сахар и ферменты целлюлотического комплекса, отводят и пропускают через новую партию спрессованного и охлажденного до 4°С сырья, ферменты из гидролизата сорбируют на сырье, которое направляют в зону гидролиза. Концентрация Сахаров в гидролизате на выходе из реактора 3%. Содержание глюкозы в процентах от суммы общих Сахаров 6О%. Нопрогидролизо- ванный остаток выводят из зоны пщроли- за, ферменты десорбируют путем промывания остатка буфером при рН 6,0. Значение рИ промывных вод доводят до 4,5 и вновь подают на сырье, размещенное в зоне сорбции рюактора. П р и м ер 2. Условия проведения процесса гидролиза опилок аналогичны примеру 1 за исключением того, что через опилки пропускают 9О мл вытяжки при 2ОС со скоростью 10 объемов реактора/ч. Скорость отвода пщролизата .2 объема реактора/сут. Пример 3. Отл1гчие заключается в том, что используют ферментную вытяжку из препаратов целлолигнорин Пх с активностью, ед/мл : по эндоглюканазе 5 ; экзЬглюкоз1щазе Oj5; целлобиогидрола- зе 0,3. Через опилки пропускают 21О мл вытяжки со скоростью 6 объемов реактора/ч. Ридролизат отводят со скоростью 1 объем реактора/в сут. Пример 4. Ферментативный гидролиз измельченного хлопкового линта проводят с использованием комплексного препарата целловир{щин ГЗх. Из препарата готовят раствор в ацетатном буфере с рН 4,0. Активность в-растворе, ед/мл; эндоглюканазы 1,2; экзоглюкозидазы 0,3 ; целлобиогкдролазы 0,5; целлобиазы 0,05. Измельченный линт (120 г) смачивают ацетатным буфером с рН 4,0, переносят в реактор колонного типа объемом 35О мл, снабженный двумя рубашками для охлаждения или нагрева сырья, и прессуют до плотности 0,8 r/CMf Затем его и раствор фермента охлаждают до 15 и пропускают через сырье со скоростью 1 объем реактора/ч {35О мл/ч) По окончании процесса сорбции в реакционной зоне устанавливают режим гидролиза, для чего температуру в реакционной зоне поднимают до . Одновременно в реактор вносят 60 г свежего сырья, спрессовывают до плотности 0,8 г/см и с помощью второй рубашки охлаждают до 15®. В реакционную зону подают буферный раствор с рН 4,5 со скоростью 0,35 объема реактора/сут (120 мл/сут). Гидролизат отводят через слой вновь введенного сырья, которое затем противотоком направляется в реакционную зону. НепрогвдроПйЗОванный остаток сьфья периодически удаляется, промывается буферным раствором с рН 9, а десорбируемые при этом ферменты вводятся в реакшюнную зону. Содержание глюкозы в гидроли зате от обшей суммы восстанавливающих Сахаров составляет 9О%. При адсорбшш адсорбируется 80 - 10О% ферментов (по методу прототипа - лишь 50 - 6О%), а примеси (пигмент, балластный белок, ком поненты питательной среды) адсорбируютс менее, чем на 10%, и выходят из реакто ра до начала гиаролиза. Благодаря этому сироп имеет лишь слабую окраску, хотя используемый ферментный препарат был интенсивно коричневого цвета. Потери ферментов при непрерывном функционировании реактора в течение месяца и двукратном добавлении новых порций сырья составляет менее 15%, а производительность реактора сохраняется почти на постоянном уровне. П р и м е р 5. Процесс проводят ана логично примеру 4, но в качестве сырья используют хлопковый линт, обработанный фосфорной 1сислотой (5О г). Объем реакто ра 12О мл, сырье прессуют до плотности 0,2 г/см, используют культуральную .жидкость продуцента Trictiodermq Viride с активностью, ед/мл : эндоглюканазы 1,0 экзоглюкозидазы 0,2; целлобиогидролазы 0,3 и целлобиазы О,ОЗ. Скорость пропус кания культуральной жидкости через сыр при адсорбции фермента 60 мл/ч, температура адсорбции . Скорость пропуска ния буфера с рН 4,5 в ходе гидролиза сырья 8О мл/сут, температура гидролиза 4О-С. В выходящем гидролиза те глюкоза составляет 60% от общего содержания Сахаров. В таблице показана производительнос реактора и концентрация Сахаров, достиг нутые в этих примерах. ПроизводительКонецнтразшясахара в Г1щроность реактора, лизате, % Предлага.емый способ позволяет увеличивать продуктивность процесса за сче повьпления количества ферментов, адсорбированных на единицу веса сырья, что приводит к увеличению выхода Сахаров, и многократ со использоватьферменты, вводимые в гфоцесс, за счет более пол- пой адсорбшш их из гидролнзата и десорбшп с непрореаглровавших остатков. Кроме того, предлагаемый способ позволяет иммобилизовать целлобиазу, содер)жащуюся в комплексе ферментов, адсорбцией непосредственно на расщепляемом сырье с сохранением до ЗО - 5О% активности, это дает возможность получить гидролиза ты с высоким относительным содержанием глюкозы и малой примесью целлобиозы, а также предотвратить инги- бирование целлобиазой других компонентов целлюлазного препарата, чего не удается избежать при отдельной иммобилизации целлобиазы. Данный способ поз воляет получить гидролизат не, загрязненный примесями, содержащемся в ферментком препарате, а также использовать ферментные растворы с низкой активностью за счет концентрирования ферментов в реакционной смеси при адсорбции на сырье. Таким образом, увеличение выхода Сахаров на единицу достигается за счет увеличения адсорбции ферментов на единицу сырья, а такде создания условий, при которых ферменты используются наиболее полно и эффективно гидролизуют сырье. При прессовании сырья до плотности 0,2 - 0,8 г/см ферменты адсорбируются на сырье более полно (на 80 - 100%), чем в условиях по прототипу (5 - 15 6-ная суспензия сырья, адсорбция на 50 -.70%). При проведении адсорбции при температурах, на 10 - 40С ниже температуры гидролиза, т. е. при 0-20°С, адсорбция ферментов на сырье увеличивается в 1,11,5 раза по сравнению с прототипом, где адсорбция идет в условиях гидролиза. Проведение гидролиза сырья в спрессованном виде позволяет поддерживать более высокую плотность сырья в процессе гидролиза (0,2 - 0,8г/см), чем по прототипу (.5 - 15%-ные суспензии). При этом ферменты адсорбированы на сырье в большей степени и действуют эффективнее при том же количестве ферментов. Пропускание ферментного раствора через сырье со скоростью 0,1- 10 объемов реактора/ч позволяет нанести на сырье большое количество фермента, не загрязняя реакционную зону ингибируюшими примесями, coдepжaщи иcя в ферментном препарате, что позволяет создать оптимальные условия для действия ферментов. В прототипе на стадии гидролиза в реактор добавляется сухой ферментный препарат, содержащий большое количество примесей, ингибирующих гидролиз. Отделение в процессе гидролиза образуютцегося сахарного сиропа и пропускание его через вновь вводимое спрессованное сырье при температурах, на ниже, чем при гидролизе, позволяет полнее адсорбировать на сырье ферменты, выводимые из зоны гидролиза с гидролизатом. В прототипе гидролизат пр1тодит- ся в контакт с 5 - 15 о-ными суспензиями свежего сырья при температурах, не оптимальных для адсорбции ферментов, в результате чего адсорб.ция ферментов на сьфье является менее полной. Промывание непрореагировавших остатков сырья раствором с рН6-9 вызьшает полную десорбцию ферментов с выводимых из процесса остатков и позволяет возвратить их в процесс гидролиза. В прототипе промывание осуществляется водой с рН тем и при гидролизе (4-5), а в этих условиях десорбция ферментов с остатков сырья происходит труднее, чем при рН 69. Использование ферментного препарата, содержащего ферменты эндоглюканазу, целлобиогидролазу, экзоглюкозидазу и ЦЕЛЛобиазу, позволяет повысить степень гидролиза сырья до 80 - 10О% в результате синергизма в действии отдельных ферментов на сырье. В прототипе используются препараты, не содержащие экзоглюкозидазы, они не обеспечивают столь эффективного гидролиза сырья. Формула изобретения 1. Способ получения Сахаров из целлю лозосодержащего растительного сырья, предусматривающий адсорбцию целлюлолитических ферментов на сырье, гидролиз его при кислых значениях рН и температуре 25 - 50С, отделение непрореагировавших остатков и гидролизата, содержащего сахара, промывку непрореагировавших остатков от ферментов, адсорбшпо ферментов вз гидролизата путем пропускания его через сырье и вьщеление гидролизата, отличающийся тем, что, с целью повьпиения выхода сахара, перед адсорбцией ферментов целлюлозосо- держащее растительное сырье прессуют, до плотности 0,2 - О,8 г/см, адсорбшпо ферментов на сырье ведут при О - 20°С, а промывание непрореагировавших остатков от ферментов осуществляют при рН 6-9. 2. Способ по п. 1, отличаю щ и и с я тем, что используют фермент ный препарат в растворенном виде, при этом пропускание раствора фермента чеР спрессованное сырье проводят со скоростью 0,5 - 1О объемов реактора/ч, 3. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что отделение гидролизата, содержащего сахар, осуществляют со скоростью О,1 - 5 объемов реактора/ /сут. 4. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что в качестве целлюлолитических ферментов используют комплексные препараты, содержащие эндоглю- каназу, целлобиогидролазу, экзоглюкозидазу, целлобиазу. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 562573, кл. С 13 К 1/О2, 1975. 2.Патент США № 3764475, кл, 195-33, опублик. 1973. 3.Авторское свидетельство СССР № 234948. кл. С 13 К 1/О2, 1965. 4.Патент США № 3972775, кл. 195-33, опублик. 1976.