Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитические исследования 11
1.1 Источники для получения целлюлозы 11
1.2 Состав лигноцеллюлозных материалов
1.2.1 Целлюлоза 18
1.2.2 Гемицеллюлозы 20
1.2.3 Лигнин 21
1.3 Способы предварительной обработки целлюлозосо держащего сырья 22
1.3.1 Обработка разбавленным раствором кислоты 24
1.3.2 Обработка разбавленным раствором щелочи 26
1.3.3 Гидротермическая обработка 27
1.4 Ферментативный гидролиз компонентов растительного сырья 32
1.4.1 Ферментативный гидролиз целлюлозы 32
1.4.2. Ферментативный гидролиз гемицеллюлоз 35
1.5 Факторы, влияющие на эффективность ферментативного гидролиза 38
1.5.1 Влияние характеристик субстрата на эффективность гидролиза 38
1.5.1.1 Концентрация субстрата 38
1.5.1.2 Степень кристалличности 39
1.5.1.3 Степень полимеризации 39
1.5.1.4 Удельная площадь поверхности 40
1.5.1.5 Содержание влаги 40
1.5.1.6 Массовая доля лигнина
1.5.2 Влияние температуры на активность ферментов 41
1.5.3 Влияние рН среды на активность ферментов 42
1.5.4 Характеристики целлюлазного комплекса 42
1.5.4.1 Концентрация ферментного комплекса 42
1.5.4.2 Использование поверхностно-активных веществ 43
1.5.4.3 Использование смесей ферментных препаратов 43
1.5.4.4 Ингибирование активности целлюлазы в процессе гидролиза 44
1.6 Обзор российских патентов по теме диссертации 45
2. Методическая часть 48
2.1 Характеристики сырья, используемого в работе 48
2.1.1 Мискантус 48
2.1.2 Плодовые оболочки овса 2.2 Реактивы, аналитическое оборудование и методики анализа сырья, целлюлоз и ферментативных гидролизатов 49
2.3 Описание используемых ферментных препаратов 53
2.4 Ферментативный гидролиз целлюлозосодержащих субстратов 54
2.5 Методика сбраживания гидролизатов 55
2.6 Построение калибровочных графиков для определения концентрации редуцирующих веществ 56
2.7 Способы получения субстратов для ферментативного гидролиза из мискантуса и плодовых оболочек овса 57
2.7.1 Получение образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса 57
2.7.1.1. Предгидролиз 57
2.7.1.2 Азотнокислая варка 58
2.7.1.3 Щелочная обработка 59
2.7.1.4 Кисловка 60
2.7.1.5 Нейтрализация отработанных растворов 60
2.7.2 Получение волокнистых продуктов и образцов целлюлоз гид ротермобарической обработкой сырья в реакторе высокого давления 61
2.7.3 Получение гидротропной целлюлозы на универсальной термобарической установке 63
3 Результаты исследований и их обсуждение 66
3.1 Определение химического состава мискантуса и плодовых оболочек овса 66
3.2 Подбор мультиэнзимной композиции для гидролиза мискантуса и плодовых оболочек овса 66
3.3 Исследование ферментолиза образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса 3.3.1 Определение химических свойств образцов целлюлозы 70
3.3.2 Подбор мультиэнзимной композиции для ферментолиза образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса 71
3.3.3 Определение оптимальных параметров для проведения ферментолиза (температура, рН, начальная концентрация субстрата) на примере образца целлюлозы мискантуса 3.3.3.1 Влияние рН среды на эффективность ферментативного гидролиза 72
3.3.3.2 Влияние температуры на эффективность ферментативного гидролиза 74
3.3.3.3 Влияние концентрации субстрата на эффективность ферментативного гидролиза 75
3.3.3.4 Расчет оптимальных условий ферментативного гидролиза 76
3.3.4 Разработка методики определения реакционной способности
к ферментативному гидролизу целлюлозосодержащих субстратов 79
3.3.5 Оценка реакционной способности к ферментолизу образцов целлюлозы мискантуса и плодовых оболочек овса 80
3.3.6 Исследование ферментолиза образцов целлюлозы при различных начальных концентрациях субстрата 82
3.3.7 Исследование кинетика ферментативного гидролиза образцов целлюлозы 83
3.3.8 Исследование ферментолиза целлюлозы в водной среде. Сбраживание водного гидролизата в этанол 91
3.3.9 Влияние химического состава, степени кристалличности, степени полимеризации субстратов на реакционную способность к фер ментолизу продуктов химической переработки мискантуса 95
3.4 Исследование реакционной способности к ферментолизу других продуктов переработки мискантуса и плодовых оболочек овса 102
3.4.1 Исследование ферментолиза продуктов после гидротермоба рической обработки сырья в реакторе высокого давления 103
3.4.1.1 Ферментативный гидролиз образцов волокнистого продукта 103
3.4.1.2 Ферментативный гидролиз образцов целлюлозы 108
3.4.2 Исследование ферментолиза образцов гидротропной целлю лозы 112
3.4.3 Исследование ферментолиза образцов лигноцеллюлозного материала 119
3.4.4 Исследование ферментолиза образцов волокнистого продук та 121
3.5 Интегрирование процессов предварительной обработки и ферментативного гидролиза в комплексную схему превращения недревесного сырья в полезные продукты на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН 123
3.6 Связь темы с планами работы Института 125
Выводы 127
Библиографический список
- Способы предварительной обработки целлюлозосо держащего сырья
- Влияние рН среды на активность ферментов
- Ферментативный гидролиз целлюлозосодержащих субстратов
- Исследование ферментолиза образцов целлюлозы при различных начальных концентрациях субстрата
Способы предварительной обработки целлюлозосо держащего сырья
За последние два десятилетия создано множество технологий предварительной обработки для целлюлозосодержащего сырья недревесного происхождения, включая такие виды: биологическая, обработка разбавленным раствором кислоты или щелочи, физическая и термическая [6, 43].
Методы биологической обработки основаны на микробной или ферментативной обработке с целью изменения химического состава биомассы и повышения выхода Сахаров при дальнейшем гидролизе с помощью целлюлаз. В работе [44] показано, что предобработка просо эстеразой привело к разрыву эфирных взаимосвязей между фенольными кислотами (феруловой, кумари-новой) и углеводами, в результате чего реакционная способность к ферментативному гидролизу просо увеличелась на 67% [45].
Предобработка разбавленной кислотой используется для максимального удаления гемицеллюлоз и повышения реакционной способности к гидролизу лигноцеллюлозной биомассы. В работе [46] исследована предобработка разбавленной кислотой идиоплазм просо для получения биоэтанола и показано,
что использование раствора серной кислоты с концентрацией 1,5% при температуре 121 С и продолжительности 60 мин привело к удалению 80% ге-мицеллюлоз и при дальнейшем ферментолизе способствовало полному гидролизу целлюлозы [47, 48, 49].
Методы щелочной обработки с помощью гидроксида натрия, гидрокси-да кальция или аммиака для удаления лигнина и гемицеллюлоз из и улучшения последующего ферментативного гидролиза биомассы описаны в работе [50]. Щелочная обработка с помощью сверхвысокочастотного излучения при температуре 190Си продолжительности 30 мин с загрузкой 0,1 г щелочи/г биомассы привела к конверсии общего количества гидролизуемых компонентов 99%.
В методе гидротермической обработки, так называемом автогидролизе или обработке горячей водой, в качестве реакционной среды используется только вода с относительно высокой температурой реакции (180-220 С). В работе [51] показано, что использование гидротермической обработки спар-тины при температуре 210 С и продолжительности 10 мин приводит к увеличению степени конверсии после ферментолиза полученного сухого остатка до 97%.
Обработкой разбавленным раствором кислоты можно существенно снизить неподатливость целлюлозосодержащих материалов, и данный вид обработки применяется для различных видов перерабатываемого сырья, в том числе древесины, травянистых культур и сельскохозяйственных отходов. Обработка обычно проводится при температуре 120-210 С при концентрации кислоты, как правило, менее 4 % и временем выдерживания от нескольких секунд до часа в реакторах разного типа. Могут быть использованы различные кислоты: соляная, фосфорная и надуксусная, но наиболее широкое применение получила серная кислота ввиду своей дешевизны и эффективности [3, 52].
Обработка разбавленным раствором кислоты служит одной из важнейших технологий предобработки ввиду значительного удаления гемицеллю-лоз, увеличения доступной площади поверхности, изменения структуры лигнина и повышения реакционной способности к ферментолизу [53], однако имеет свои недостатки: является одним из самых дорогих методов предобработки по причине дополнительных затрат на кислоту, изготовления реакторов из особых материалов и необходимости этапа нейтрализации кислоты.
Основной функцией обработки разбавленными кислотами является гидролиз гемицеллюлоз и разрушение структуры лигнина для увеличения доступности предобработанной биомассы для действия ферментов [47, 48].
В основном гидролизу подвергается ксилан, поскольку глюкоманнан относительно устойчив к кислоте. При мягких условиях обработки большая часть ксилана накапливается в растворе в форме ксилозы, при условиях высокой жесткости ксилан частично преобразуется в нежелаемые побочные продукты, такие как фурфурол, муравьиная, уксусная и уроновая кислоты. Это не только снижает выход Сахаров из гемицеллюлоз, но и в дальнейшем может оказывать негативное влияние в процессе ферментолиза полученных субстратов и сбраживания гидролизатов. На рисунке 1.7 представлены пути образования побочных продуктов в процессе обработки целлюлозосодержа-щего сырья разбавленным раствором кислоты (фурфурол и муравьиная кислота) [34, 42].
В процессе обработки происходит разрушение целлюлозы, данная реакция катализируется кислотой и ускоряется термически. Этот процесс включает две основные стадии: начальный быстрый гидролиз более доступной аморфной области и медленный гидролиз кристаллической части целлюлозы. Кристалличность целлюлозы повышается в течение процесса обработки раствором кислоты, что связано с гидролизом и удалением целлюлозы в аморфных областях. Обработка приводит к снижению степени полимеризации целлюлозы, особенно при жестких условиях обработки, что повышает реакционную способность к ферментолизу целлюлозы [34, 42].
Обработка разбавленным раствором кислоты не приводит к значительной делигнификации. Некоторые исследования показывают, что содержание кислотонерастворимого лигнина в обработанном кислотой материале выше, чем в исходном материале. Данный факт может быть вызван удалением значительного количества гемицеллюлоз и определенного количества целлюлозы с сохранением большей части лигнина, а также повторной полимеризацией продуктов разрушения полисахаридов (гидроксиметилфурфурол и фурфурол) и/или полимеризацией лигнина с образованием лигниноподобного материала под названием «псевдолигнин». В работе [54] показано, что псевдолигнин может образовываться из углеводов без значительного вклада лигнина в процессе обработки кислотой, особенно при жестких условиях обработки.
Щелочную обработку можно поделить на две группы в зависимости от используемых реактивов: обработка с использованием гидроксида натрия (кальция) и обработка с использованием аммиака. На эффективность щелочной предобработки влияет в основном температура реакции, продолжительность, концентрация щелочи. По сути, данный процесс является делигнифи-кацией и наиболее эффективно подходит для твердой древесины, травянистых культур и сельскохозяйственных отходов с содержанием лигнина меньше, чем в мягкой древесине. Щелочная делигнификация по сравнению с предобработкой кислотой имеет ряд преимуществ: проведение процесса при пониженных температуре и давлении, отсутствия необходимости использования специальных реакторов, многократное использование остаточной щелочи. Недостатками этого метода являются: образование солей из щелочи, которые накапливаются в лигноцеллюлозных материалах и капитальные затраты на переработку щелочей [4].
При щелочной предобработке растворяется значительное количество гемицеллюлоз, хотя, меньше, чем при обработке кислотой. Растворение ге-мицеллюлоз, а также заметное уменьшение содержания лигнина должно приводить к увеличению реакционной способности к ферментолизу. В процессе предобработки происходит омыление межмолекулярных эфирных связей, которыми «прошиты» гемицеллюлозы и лигнин. Количество побочных продуктов, образующихся в процессе щелочной обработки гораздо меньше, чем в процессе кислотной [3, 4].
Обработка гидроксидом натрия или кальция снижает степень полимеризации целлюлозы лигноцеллюлозных материалов и вызывает набухание целлюлозы, что приводит к увеличению ее внутренней площади поверхности, что делает целлюлозу более доступной для действия ферментов. Степень кристалличности целлюлозы повышается после обработки, что вызвано гидролизом разбавленным раствором щелочи аморфных областей целлюлозы [3, 4, 52].
Влияние рН среды на активность ферментов
В реактор 1 заливалось рассчитанное количество технической воды, затем при включенной мешалке через люк реактора заливался 60 %-ный раствор азотной кислоты. После этого через люк реактора загружался целлюло-зосодержащий продукт после предгидролиза мискантуса или промытые плодовые оболочки овса. По окончании дозировки, в теплообменник 2, подключенный к аппарату, подавалась вода, нагретая до температуры 95-98 С, и содержимое аппарата нагревалось до 85-90 С. Реакционная масса при перемешивании и указанной температуре выдерживалась в течение 2-8 ч. После окончания процесса отключался обогрев реактора 1 и в рубашку подавалась холодная вода до охлаждения реакционной массы до температуры 20-60 С, после чего она фильтровалась на вакуумном фильтре 3, заправленном полипропиленовой тканью КС-34-М1. Фильтрат собирался в сборнике 4, из которого сливался в полипропиленовые канистры, предназначенные для хранения и транспортировки 60 %-ной азотной кислоты. Полученный целлюлозо-содержащий продукт промывался на вакуумном фильтре 3 при отключенном вакууме до нейтральной реакции промывной воды. После чего на вакуумный фильтр 3 подавался вакуум и отфильтровывался продукт - лигноцеллюлоз ный материал. Фильтрат также собирался в сборнике 4, из которого сливался в полипропиленовые канистры.
В реактор 1 заливалось рассчитанное количество технической воды, после этого через люк загружалось предварительно рассчитанное и взвешенное количество гидроксида натрия. После растворения гидроксида натрия в реактор 1 загружался лигноцеллюлозный материал и содержимое аппарата нагревалось до температуры 50-90 С. Реакционная масса при перемешивании и указанной температуре выдерживалась в течение 4-12 часов. После окончания процесса обогрев реактора 1 отключался, и в рубашку подавалась холодная вода. Реакционная масса охлаждалась до температуры 40-80 С, после чего фильтровалась на вакуумном фильтре 3, заправленном полипропиленовой тканью КС-34-М1. Фильтрат собирался в сборнике 4, из которого сливался в полипропиленовые канистры, предназначенные для хранения и транспортировки 60 %-ной азотной кислоты.
После этого техническая целлюлоза промывалась водой на вакуумном фильтре до нейтральной реакции промывной воды. Полученный продукт -техническая целлюлоза - отжималась на фильтре вакуумом и выгружалась в нержавеющие поддоны или полиэтиленовые ведра.
Для дополнительной очистки технической целлюлозы проводилась обработка слабой кислотой. Для этого в реактор 1 заливалась техническая вода. При включенной мешалке через люк реактора с помощью воронки заливалось рассчитанное количество 60 %-ной азотной кислоты. После этого, через люк реактора загружалась техническая целлюлоза. Суспензия нагревалась до температуры 50-60С и перемешивалась 0,5-2 ч. После чего фильтровалась на вакуумном фильтре 3, заправленном полипропиленовой тканью КС-34-М1, промывалась водой на вакуумном фильтре до нейтральной реакции промыв ной воды. Полученная техническая целлюлоза была отжата на фильтре под вакуумом и выгружалась в нержавеющие поддоны или полиэтиленовые ведра.
По окончании цикла работ в реакторе 1 проводилась нейтрализация отработанных растворов. Для этого из переносных емкостей в реактор через люк заливались щелочные растворы, включалось перемешивание, после чего порциями заливались кислые растворы. При этом проводился контроль за температурой реакционной массы в реакторе 1 по термометру сопротивления. При повышении температуры более 40 С в рубашку реактора 1 подавалась холодная вода. После перемешивания в течение 0,5 ч мешалка выключалась и отбиралась проба раствора для определения кислотности с помощью универсальной индикаторной бумаги. При наличии нейтральной реакции массы в аппарате отработанные растворы собирались в канистры и хранились до отправки на утилизацию на ФКП «БОЗ».
При комбинированном способе получения целлюлозы сырье обрабатывалось теми же реактивами, но в обратном порядке.
Получение образцов целлюлозы из мискантуса осуществлялось в соответствии с технологической прописью ИПХЭТ СО РАН ТП 10018691.01101.00036, из плодовых оболочек овса в соответствии с ТП 10018691.01101.00035. Получение волокнистых продуктов и образцов целлюлоз гидротер-мобарической обработкой сырья в реакторе высокого давления
Гидротермобарический взрыв осуществлялся в лабораторной установке, схематично изображённой на рисунке 2.6 [ПО]. Контроль температуры и давления производился при помощи датчиков (1) и (2) соответственно [ПО]. Измельченная и замоченная в дистиллированной воде навеска сырья (масса 15,3 г) помещалась вместе с водой в реактор высокого давления (4), снаб женный электрическим нагревательным элементом. Производилась герметизация крышки (3), затем путем нагрева реактора высокого давления создавалось давление, необходимое для разрушения мембраны, установленной в нижней части (4). В качестве мембраны использовалась алюминиевая фольга. При разрушении мембраны происходила локализация обработанного сырья (твёрдой фазы) в приёмной ёмкости (6) вместимостью 63 л. Обработанное сырье количественно собиралось в стакан объёмом 1,5-2,0 л. Для этого внутренняя поверхность (6) обмывалась дистиллированной водой (800-1000 мл). Полученная суспензия сливалась в стакан через штуцер (6), затем тщательно промывалась внутренняя поверхность штуцера и шарового крана (7). Фото реактора высокого давления представлено на рисунке 2.7. Полученная таким образом суспензия перемешивалась в течение 15 мин (600-750 об/мин) и фильтровалась [111].
Ферментативный гидролиз целлюлозосодержащих субстратов
Важным промышленным критерием качества полученных гидролизатов является его доброкачественность [135]. Под биологической доброкачественностью понимают показатель, отражающий степень влияния вредных примесей среды на процесс биосинтеза этанола. Среда может считаться доброкачественной, если на ней функция размножения дрожжевых клеток не подавляется, а субстрат (глюкоза) по большей части расходуется на биосинтез целевого продукта (этанола). Доброкачественность сред определяется биологическим методом (например, по выходу биомассы или продукта метаболизма), либо по физиологической активности дрожжей [136].
В исследуемой бражке дрожжи находились в хорошем морфофизиоло-гическом состоянии на всех стадиях брожения, начиная с момента внесения инокулята в среду до окончания процесса. По общему количеству клеток в бродящем сусле (от 80 млн. КОЕ/мл до 125 млн. КОЕ/мл) и доле почкующихся (от 12 % до 55 %) и мертвых (от 0 % до 4 %) клеток она соответствовала требованиям, предъявляемым в спиртовой отрасли при использовании пищевого сырья [137]. Количество клеток, содержащих гликоген, в бражке не превышало 55 %, что объясняется недостатком азотного (в том числе аминокислотного) питания. Корректировка питательной среды по азоту позволит повысить этот показатель до нормы (не менее 70 %). Размеры клеток дрожжей составляли от 7,5x5,0 мкм до 5,0x5,0 мкм, что соответствует разме рам клеток при культивировании на паспортной эталонной среде неохмелен-ного солодового сусла.
Хорошее морфо физиологическое состояние дрожжей косвенно указывает на отсутствие в полученном гидролизате вредных примесей (фурфурола, оксиметилфурфурола, летучих кислот, лигногуминовых и других веществ), чем ферментативные гидролизаты положительно отличаются от химических [137].
Анализ этанола
Методом простой перегонки из бражки был выделен и проанализирован методом газо-жидкостной хроматографии этанол, результаты представлены в таблице 3.14 в сравнении с нормативами на этиловый спирт-сырец из пищевого сырья и спирт этиловый технический.
В образце этанола из целлюлозы мискантуса концентрация альдегидо-эфирной фракции достаточно высока, а также в следовых количествах обнаружены ацетон, 2-бутанон, характеризующие этанол как непищевой. Массовая концентрация сивушного масла в опытном образце спирта значительно ниже, чем в спирте-сырце из пищевого сырья, что легко объясняется отсутствием белков и пептидов в ферментативном гидролизате целлюлозы. Объёмная доля метанола крайне мала. Поскольку, полученный образец спирта не подвергался никакой очистке, можно предположить, что после ректификации будет получен этанол высокого качества.
В результате эксперимента показано, что водный гидролизат целлюлозы мискантуса является питательной средой, которая обеспечивает успешное развитие микроорганизмов, и может быть рекомендован для конверсии не только в этанол, но и в другие продукты микробного метаболизма, например, бутанол, бактериальную целлюлозу, молочную кислоту, биомассу дрожжей и др. Более подробно полученные результаты представлены в работе [138]. Таблица 3.14 - Результаты анализа образца этанола методом газожидкостной хроматографии в сравнении с нормативами
Показатель Образец этанола из целлюлозы мискан-туса Этиловый спирт-сырец из пищевого сырья Спирт этиловый технический спирт-сырец из всех видов сырья спирт-сырец из мелассы марки АОКП918213 1100 марки БОКП918213 1200 Массовая концентрация альдегидов, мг/дм 800±50 300 500 200 350
С целью определения ключевых факторов, оказывающих влияние на процесс ферментативного гидролиза, был исследован гидролиз продуктов химической переработки мискантуса с известными характеристиками, такими как степень полимеризации, степень кристалличности, массовая доля остаточного лигнина, влажность.
В качестве объекта исследования был выбран мискантус, так как гидролиз продуктов его переработки проходит с наименьшей степенью конверсии. Субстраты были получены на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН из мискантуса следующими стадиями азотнокислой варки: предварительный гидролиз измельченного мискантуса 0,5-1,0 %-ным раствором азотной кислоты с получением целлюлозосодержащего продукта, затем азотнокислая варка целлюлозосодержащего продукта в 4 %-ном растворе азотной кислоты с получением лигноцеллюлозного материала, затем обработка лиг-ноцеллюлозного материала 2 %-ным раствором гидроксида натрия с получением технической целлюлозы 1, декатионирование целлюлозы 1 обработкой 1 %-ным раствором азотной кислоты с получением целлюлозы 2. Подробно способ получения субстратов представлен в п. 2.7.1.
Химическая обработка мискантуса приводит к следующим изменениям (целлюлозосодержащий продукт - целлюлоза 2 соответственно): увеличению массовой доли целлюлозы с 62,8 % до 95,5 %, снижению массовой доли лег-когидролизуемых пентозанов с 9,6 % до 1,2 %, уменьшению массовой доли остаточного лигнина с 20,9 % до 3,0 %. Зольность увеличивается с 2,0 % в целлюлозосодержащем продукте до 7,0 % в целлюлозе 1, последующая обработка целлюлозы 1 раствором азотной кислоты приводит к снижению массовой доли золы до 2,2 % в целлюлозе 2.
Значения степени кристалличности целлюлозы в образцах лигноцеллюлозного материала, целлюлозы 1 и целлюлозы 2 находятся на высоком уровне: для образцов лигноцеллюлозного материала и целлюлозы 1 -65-66 %, для образца целлюлозы 2-72 %. Степень кристалличности целлюлозы в целлюлозосодержащем продукте не определялась, в таблице 3.8 представлено значение данного показателя для целлюлозы в нативном мискантусе [139].
Значения степени полимеризации для образцов целлюлозы находятся на одном уровне: 1005-1060, откуда следует, что описанная выше химическая обработка лигноцеллюлозного материала не оказывает сильного деструкти-рующего воздействия на целлюлозу.
Зависимости концентрации и выхода редуцирующих веществ (от массы субстрата) от продолжительности ферментативного гидролиза продуктов химической переработки мискантуса представлены на рисунке 3.12.
Наименьшей реакционной способностью характеризуется целлюлозосо-держащий продукт, что объясняется высокой прочностью данного субстрата, обусловленного химическими и межмолекулярными взаимодействиями целлюлозы с другими биополимерами: лигнином (21 %) и гемицеллюлозами (10 %). Выход редуцирующих веществ за первые 8 ч гидролиза достиг всего 12 % и медленно увеличивался в течение последующих 56 ч до 18 %. -, І 30
Исследование ферментолиза образцов целлюлозы при различных начальных концентрациях субстрата
Интегрирование процессов предварительной обработки и ферментативного гидролиза в комплексную схему переработки недревесного сырья в полезные продукты на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН
Технология ферментативного гидролиза целлюлозосодержащего сырья интегрирована в комплексную блок-схему переработки недревесного сырья в полезные продукты ИПХЭТ СО РАН (рисунок 3.19, красным цветом выделены процессы, представленные в диссертационной работе) в 2010-2014 гг. с наработкой укрупненных партий опытных образцов лигноцеллюлозного материала и волокнистого продукта, которые затем были использованы в качестве субстратов при ферментолизе в ацетатном буфере, в водной среде и масштабировании по объему в ферментере емкостью 11 л [153, 154]. Способ внедрен на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН (Приложение В).
Данная схема демонстрирует интегрирование процессов предобработки и ферментативного гидролиза в комплексную схему переработки не древесного сырья в полезные продукты на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН. Целлюлозосодержащее сырье (мискантус и плодовые оболочки овса) подвергается обработке разбавленным раствором азотной кислоты или гидроксида натрия с получением образцов лигноцеллюлозного материала или волокнистого продукта соответственно, которые направляются на дальнейшую химическую обработку для получения образцов целлюлозы. Образцы лигноцеллюлозного материала, волокнистого продукта, а также полученные образцы целлюлозы используются в качестве субстратов при ферментолизе в водной среде. Полученный водный гидролизат - раствор Сахаров с преимущественным содержанием глюкозы - путем микробиологического синтеза преобразуется в этанол (культура дрожжей Saccharomyces cerevisiae Y-1693) [155], бутанол (культура Clostridium perfringens), бактериальную целлюлозу (культура Midusomyces gisevii J. Lindau) [156]. Образцы целлюлозы, полученные дальнейшей химической обработкой полупродуктов, исполь зуются для получения сложных и простых эфиров целлюлозы, а также изготовления бумаги и картона.
Комплексная блок-схема переработки не древесного сырья в полезные продукты на опытно-промышленном производстве ИПХЭТ СО РАН
Особое положение в описанной схеме занимает использование на стадии обработки сырья раствора азотной кислоты. Его источником является про-мышленно-доступная серно-азотная смесь, используемая в качестве реактива при производстве нитроэфиров (г. Бийск, 1980-2014 гг.). Отработанный по завершению одного цикла обработки порции сырья варочный раствор укрепляется концентрированной азотной кислотой до нужной концентрации и используется вновь в качестве варочного раствора для обработки свежей порции сырья. Таким образом, разбавленный раствор азотной кислоты используется многократно. В финале (20-25 циклов) отработанный раствор утилизируется по известной схеме производства минеральных удобрений: нейтрализуется аммиаком, и полученный раствор нитрата аммония используется в качестве классического широко распространенного удобрения (г. Бийск, 1985-2006 гг.). Полученный раствор может использоваться в качестве жидкого комплексного (лигногуминового и минерального) удобрения для выращивания культурных растений.
В продолжение выполненной работы в 2015 г. в рамках технологического проекта «Технологическое оборудование для комплексной переработки растительного сырья в целлюлозосодержащие продукты и исходные компоненты для химического синтеза и биотопливо» будет приобретено и подготовлено к монтажу оборудование для комплексной переработки не древесного сырья в полезные продукты, включая биотопливо.
Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИПХЭТ СО РАН междисциплинарного интеграционного проекта № 73 «Научные основы технологий выращивания и переработки нового вида целлюлозосодержащего сырья - Мискантуса китайского» 2010-2011 гг.; проектуV.40.2.1 «Разработка физико-химических основ технологии получения полупродуктов и биотоплив из недревесного растительного сырья»,2011-2012 гг.; проекту 5 «Химическое обогащение возобновляемого «концентрированного» целлюлозосодержащего сырья» Программы 3 Президиума РАН, 2011-2012гг.; совместному интеграционному проекту № 11 фундаментальных исследований ИПХЭТ СО РАН и ИХ Коми НЦ УрО РАН «Химическая, механохимическая и ферментативная деструкция целлюлозосодержащего сырья для получения ценных продуктов», 2012-2014 гг.; проету «Фундаментальные исследования химических и биотехнологических процессов получения новых материалов и компонентов топлив из недревесного сырья», 2013-2015 гг.; проекту № 5 «Химическое обогащение возобновляемого «концентрированного» целлюлозосодержащего сырья в различных средах вреакторах под давлением» Программы 3 Президиума РАН, 2013-2014 гг.; технологическому проекту «Технологическое оборудование для комплексной переработки растительного сырья в целлюлозосо-держащие продукты и исходные компоненты для химического синтеза и биотопливо», 2013-2014 гг.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 13-03-98001 «Фундаментальные исследования гидротропной целлюлозы: способ получения, характеристики, химическая модификация и ферментативный гидролиз», 2013-2014 гг.
