RU2701643C1 - Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья - Google Patents
Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья Download PDFInfo
- Publication number
- RU2701643C1 RU2701643C1 RU2018134393A RU2018134393A RU2701643C1 RU 2701643 C1 RU2701643 C1 RU 2701643C1 RU 2018134393 A RU2018134393 A RU 2018134393A RU 2018134393 A RU2018134393 A RU 2018134393A RU 2701643 C1 RU2701643 C1 RU 2701643C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bioethanol
- enzymatic hydrolysis
- substrate
- ethanol
- stage
- Prior art date
Links
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 57
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 39
- 230000007071 enzymatic hydrolysis Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000006047 enzymatic hydrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 37
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims abstract description 23
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229940079919 digestives enzyme preparation Drugs 0.000 claims abstract description 16
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims abstract description 12
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims abstract 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 18
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 claims description 11
- 239000000021 stimulant Substances 0.000 claims description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000004821 distillation Methods 0.000 abstract description 9
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract 1
- CSNNHWWHGAXBCP-UHFFFAOYSA-L Magnesium sulfate Chemical compound [Mg+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] CSNNHWWHGAXBCP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 10
- 229920002488 Hemicellulose Polymers 0.000 description 9
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 description 9
- 239000010903 husk Substances 0.000 description 9
- 244000075850 Avena orientalis Species 0.000 description 8
- 235000007319 Avena orientalis Nutrition 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 7
- 235000016068 Berberis vulgaris Nutrition 0.000 description 6
- 241000335053 Beta vulgaris Species 0.000 description 6
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 6
- 241000878007 Miscanthus Species 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 6
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 6
- 229940041514 candida albicans extract Drugs 0.000 description 5
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 229910052943 magnesium sulfate Inorganic materials 0.000 description 5
- 235000019341 magnesium sulphate Nutrition 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 5
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 5
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 5
- 239000012138 yeast extract Substances 0.000 description 5
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 4
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 4
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 4
- BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N ammonium sulfate Chemical compound N.N.OS(O)(=O)=O BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052921 ammonium sulfate Inorganic materials 0.000 description 4
- 235000011130 ammonium sulphate Nutrition 0.000 description 4
- ZPWVASYFFYYZEW-UHFFFAOYSA-L dipotassium hydrogen phosphate Chemical compound [K+].[K+].OP([O-])([O-])=O ZPWVASYFFYYZEW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 4
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 4
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 4
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 239000001888 Peptone Substances 0.000 description 3
- 108010080698 Peptones Proteins 0.000 description 3
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 3
- 235000014680 Saccharomyces cerevisiae Nutrition 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 3
- 229910000387 ammonium dihydrogen phosphate Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 3
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 description 3
- 235000019837 monoammonium phosphate Nutrition 0.000 description 3
- 235000019319 peptone Nutrition 0.000 description 3
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 240000005979 Hordeum vulgare Species 0.000 description 2
- 235000007340 Hordeum vulgare Nutrition 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KFSLWBXXFJQRDL-UHFFFAOYSA-N Peracetic acid Chemical compound CC(=O)OO KFSLWBXXFJQRDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000235347 Schizosaccharomyces pombe Species 0.000 description 2
- LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N ammonium dihydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].OP(O)([O-])=O LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 2
- 238000005374 membrane filtration Methods 0.000 description 2
- 244000005706 microflora Species 0.000 description 2
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000609240 Ambelania acida Species 0.000 description 1
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 1
- 235000014663 Kluyveromyces fragilis Nutrition 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000235652 Pachysolen Species 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000253911 Saccharomyces fragilis Species 0.000 description 1
- 235000018368 Saccharomyces fragilis Nutrition 0.000 description 1
- 240000000111 Saccharum officinarum Species 0.000 description 1
- 235000007201 Saccharum officinarum Nutrition 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 244000152045 Themeda triandra Species 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000002154 agricultural waste Substances 0.000 description 1
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000010905 bagasse Substances 0.000 description 1
- 235000014121 butter Nutrition 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 235000013877 carbamide Nutrition 0.000 description 1
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 1
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-M dihydrogenphosphate Chemical compound OP(O)([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000009313 farming Methods 0.000 description 1
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 235000021393 food security Nutrition 0.000 description 1
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 229940031154 kluyveromyces marxianus Drugs 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 235000012054 meals Nutrition 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007269 microbial metabolism Effects 0.000 description 1
- 238000013048 microbiological method Methods 0.000 description 1
- 235000013379 molasses Nutrition 0.000 description 1
- 150000002772 monosaccharides Chemical class 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 230000035764 nutrition Effects 0.000 description 1
- 235000020262 oat milk Nutrition 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008104 plant cellulose Substances 0.000 description 1
- 159000000001 potassium salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
- C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
- C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Landscapes
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Zoology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microbiology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья. Способ включает предварительную обработку сырья разбавленным раствором кислоты с концентрацией 1-12% при атмосферном давлении, совмещенную стадию ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки. На стадии ферментативного гидролиза при начальной концентрации сухих веществ 6-9% достигают общей концентрации сухих веществ 15-27% порционным внесением субстрата и ферментных препаратов с интервалом 4-8 ч. При этом стадию проводят до момента конверсии субстрата в редуцирующие вещества на 40-50%, после чего вносят посевной материал этанол синтезирующих микроорганизмов, стимуляторы биосинтеза этанола и проводят спиртовое брожение, совмещенное с ферментативным гидролизом. Изобретение обеспечивает повышение выхода продукта и минимизацию затрат на стадиях дистилляции и ректификации биоэтанола. 5 пр.
Description
Изобретение относится к биотехнологической промышленности, а именно к способам получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья.
В настоящее время в России и за рубежом биоэтанол производится в основном из пищевого сахаро- и крахмалсодержащего сырья, что негативно отражается на себестоимости продукта и отрицательно влияет на продовольственную безопасность стран. Благодаря обилию, низкой стоимости и высокому содержанию углеводов растительное целлюлозосодержащее сырье (отходы агропромышленного комплекса, энергетические культуры) является перспективным источником для деполимеризации и биоконверсии с получением биоэтанола.
Технология получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья состоит из четырех основных стадий: предварительной физико-химической обработки сырья, ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата, сбраживания этанолсинтезирующими микроорганизмами моносахаридов ферментативного гидролизата, выделения биоэтанола. Стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения могут проводиться совместно.
Изучение уровня техники выявило сходные по своей сути известные технические решения.
Известен способ получения биоэтанола по патенту РФ №2421521 (дата публикации 20.06.2011 г.), включающий предварительную обработку морских водорослей, ферментативный гидролиз, осуществление процесса брожения с помощью этанолсинтезирующих дрожжей и выделение биоэтанола.
Основным и главным недостатком описанного технического решения является ограниченная сырьевая база, для успешной и рентабельной работы производственные мощности целесообразно располагать только вблизи водоемов.
В патенте РФ №2284355 (дата публикации 27.09.2006 г.) предлагается способ получения этанола из растительного сырья, включающий гидролиз растительного сырья серной кислотой, нейтрализацию гидролизата аммиачной водой, аэробно-спиртовое брожение, ректификацию спиртовой бражки, утилизацию отходов.
Основным недостатком вышеописанного способа получения этанола является деградация сахаров в реакции гидролиза и образование нежелательных побочных продуктов, это не только снижает выход сахаров, но и некоторые из побочных продуктов также сильно ингибируют образование этанола в ходе спиртового брожения, концентрация этанола в бражке очень низка.
В публикации [Unrean, P. Systematic optimization of fed-batch simultaneous saccharification and fermentation at high-solid loading based on enzymatic hydrolysis and dynamic metabolic modeling of Saccharomyces cerevisiae / P. Unrean, S. Khajeeram, K. Laoteng // Appl Microbiol Biotechnol. 2016. №100. C. 2459-2470] описан способ получения биоэтанола из предварительно обработанного растительного сырья - багассы (отхода сахарного тростника) - проведением одновременного ферментативного гидролиза и спиртового брожения с подпиткой.
К недостаткам способа следует отнести: неэффективность предварительной обработки сырья, дающей субстрат с содержанием целлюлозы всего 37,6%, гемицеллюлоз 23,5%; добавление в реакционную массу довольно большого объема мелассы (10%), которая могла быть более рационально использована в пищевой, кормовой и микробиологической промышленности. Кроме того, получение биоэтанола, например, в России по данному способу невозможно, так как используемое сырье является экзотическим в силу климатических условий страны.
По части ферментативного гидролиза известен способ получения высококонцентрированных растворов глюкозы из целлюлозосодержащего сырья по патенту РФ №2624668 (дата публикации 05.07.2017 г.), включающий предварительную обработку сырья и последующий ферментативный гидролиз. В способе предлагается проводить ферментативный гидролиз при концентрации субстрата 250-300 г/дм3 с внесением свежей порции субстрата каждые 2-8 ч и отводом глюкозы с помощью мембранной фильтрации.
Недостатки описанного способа в следующем: дороговизна отвода глюкозы с помощью мембранной фильтрации; нужны особенные условия хранения раствора глюкозы; большие трудозатраты, возникающие из-за необходимости перекачки раствора глюкозы в другой ферментер для использования в качестве питательной среды для биосинтеза этанола и других продуктов микробного метаболизма.
Наиболее близким и потому принятым за прототип является способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья по патенту РФ №2593724 (дата публикации 10.08.2016 г.), включающий предварительную обработку сырья, совмещенные стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки.
Основным и главным недостатком описанного способа является относительно низкий выход биоэтанола и, как следствие, нерентабельность его дистилляции из бражки и ректификации.
Задачей предлагаемого технического решения является создание более рентабельного способа получения биоэтанола из быстровозобновляемого целлюлозосодержащего сырья с повышенным выходом продукта и минимизацией затрат на стадиях дистилляции и ректификации биоэтанола.
Поставленная задача решается предлагаемым способом получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья, который включает предварительную обработку целлюлозосодержащего сырья разбавленным раствором кислоты с концентрацией 1-12% при атмосферном давлении, совмещенную стадию ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки; при этом на стадии ферментативного гидролиза при начальной концентрации сухих веществ 6-9% достигают общей концентрации сухих веществ 15-27% порционным внесением субстрата и ферментных препаратов с интервалом 4-8 ч, и стадию проводят до момента конверсии субстрата в редуцирующие вещества на 40-50%, после чего вносят посевной материал этанолсинтезирующих микроорганизмов, стимуляторы биосинтеза этанола и проводят спиртовое брожение, совмещенное с ферментативным гидролизом. Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что на стадии ферментативного гидролиза при начальной концентрации сухих веществ 6-9% достигают общей концентрации сухих веществ 15-27% порционным внесением субстрата и ферментных препаратов с интервалом 4-8 ч, при этом стадию проводят до момента конверсии субстрата в редуцирующие вещества на 40-50%, после чего вносят посевной материал этанолсинтезирующих микроорганизмов, стимуляторы биосинтеза этанола и проводят спиртовое брожение, совмещенное с ферментативным гидролизом. Известно, что получить биоэтанол из целлюлозосодержащего сырья с высоким выходом довольно проблематично и очевидным решением является увеличение концентрации субстрата, но, как правило, эффективность биоконверсии целлюлозы при ферментативном гидролизе уменьшается с увеличением концентрации субстрата ввиду реологических свойств реакционной массы (масса очень густая, процессы массо- и теплообмена идут медленно с низкой эффективностью). Эту проблему можно решить методом подпитки при применении правильно подобранной для конкретного субстрата технологической схемы.
Также известны преимущества совмещения стадий ферментативного гидролиза и спиртового брожения. Совмещение стадий позволяет сократить общую продолжительность процесса; чем раньше будет внесен продуцент этилового спирта, тем выше будет микробиологическая стабильность процесса; при внесении продуцентов этилового спирта редуцирующие вещества начинают отводиться из системы и расходоваться на синтез биоэтанола, таким образом, равновесие ферментативной реакции гидролиза целлюлозы постоянно смещается в сторону образования продуктов реакции, этим достигается интенсификация процесса осахаривания. Такой процесс, как правило, начинается с отдельной стадии ферментативного гидролиза и заканчивается стадией совмещенного ферментативного гидролиза и спиртового брожения. Отдельная стадия ферментативного гидролиза представляет собой стадию частичного ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлоз субстрата, проводится с помощью ферментных препаратов целлюлазно-ксиналазно-глюканазного действия при перемешивании и оптимальных для действия ферментов температуре и активной кислотности. Так как ферментативный гидролиз различных по природе и способу предобработки субстратов идет с разной скоростью, в данном техническом решении предлагается продолжительность отдельной стадии ферментативного гидролиза определять по степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества.
Важно с посевным материалом этанолсинтезирующих микроорганизмов вносить в реакционную массу стимуляторы биосинтеза этанола, потому как гидролизаты из целлюлозосодержащего сырья обеднены некоторыми макро-, микроэлементами, витаминами, аминокислотами. В условиях недостатка азотного и фосфорного питания этанолсинтезирующие микроорганизмы, будучи автотрофами, способны самостоятельно синтезировать необходимые витамины, однако, при этом глюкоза будет расходоваться нецелевым образом, что приведет к снижению скорости биосинтеза этанола и его выхода. Самым простым технологическим решением представляется внесение питательных солей (сульфат или дигидрофосфат аммония, мочевина, монофосфат калия, сульфат магния, хлорид кальция). Другим доступным технологическим решением является добавление в гидролизаты не питательных солей, способствующих синтезу витаминов в клетках микроорганизмов, а непосредственно готовых витаминов, являющихся стимуляторами биосинтеза этанола. Главным критерием применения возможных добавок является экономическая целесообразность, поэтому в зависимости от рыночной стоимости имеет смысл вносить в питательную среду витамины, полученные химическим или микробиологическим способом, либо дрожжевой экстракт. Еще одним необходимым стимулятором биосинтеза этанола являются аминокислоты, самым дешевым источником которых могут служить пептон, дрожжевой экстракт, кукурузный экстракт, комплексные препараты аминокислот, полученные путем микробиологического синтеза, белково-витаминные концентраты и др.
Общая концентрация сухих веществ на стадии ферментативного гидролиза составляет 12-27%, этот интервал выбран исходя из следующего: если концентрация будет меньше 12%, то концентрация этанола в полученной бражке не превысит технический и экономический предел для дистилляции в промышленном масштабе; если концентрация сухих веществ будет больше 27%, то в силу реологических свойств высококонцентрированной суспензии будет затруднен массообмен, возможно субстратное ингибирование ферментов, необратимая адсорбция ферментов и этанолсинтезирующих микроорганизмов на субстрат, в результате чего будет недостижима высокая степень гидролиза субстрата и высокая концентрация этанола. Следует отметить, что при высоких концентрациях сухих веществ в реакционной массе применяются технологически устойчивые к повышенному осмосу этанолсинтезирующие микроорганизмы.
Временной интервал внесения порций субстрата и ферментных препаратов каждые 2-8 ч обусловлен следующим: при уменьшении этого интервала возникнут трудности с массообменом, а с увеличением этого интервала увеличится и общая продолжительность процесса получения биоэтанола, что, помимо экономических соображений, также чревато возможностью контаминации реакционной массы посторонней микрофлорой.
Стадия ферментативного гидролиза проводится до момента конверсии субстрата в редуцирующие вещества на 40-50%. Совмещение ферментативного гидролиза и спиртового брожения при степени конверсии, не достигшей 40%, не даст высокий выход биоэтанола ввиду раннего изменения температурного оптимума для действия гидролитических ферментов и адсорбции этанолсинтезирующих микроорганизмов на субстрат. Проведение стадии ферментативного гидролиза до степени конверсии более 50% увеличит общую продолжительность процесса, увеличит риск контаминации посторонней микрофлорой, не приведет к существенной интенсификации процесса ферментативного гидролиза за счет отведения сбраживаемых сахаров этанолсинтезирующими микроорганизмами.
В качестве целлюлозосодержащего сырья в предлагаемом способе используется солома, или шелуха зерновых культур, или отходы овощных и плодово-ягодных культур, или мискантус.
При уборке и переработке зерновых культур остается огромное количество отходов - соломы и шелухи. Например, шелуха овса - это отход массовой культуры, занимающей значительные площади мире, особенно на территории России (по данным Росстата сбор овса в 2017 г. в России составил 5,45 млн т.). Овес характеризуется высокой пленчатостью, которая достигает 30%. На зерноперерабатывающих предприятиях накапливается огромное количество шелухи, при этом, мало того, что сырье многотоннажно скапливается в одном месте, оно не требует дальнейшей технологической переработки, а стоимость сбора шелухи перенесена на стоимость продуктов переработки овса (крупа, хлопья, толокно, мука, овсяное молоко, слайсы и т.д.). Шелуха овса не может быть использована ни в качестве топлива, ни в качестве сырья для топливных пеллет из-за высокой зольности с повышенным содержанием легкоплавких солей калия, которые приводят к образованию в печах прочного нагара. Ввиду высокого содержания целлюлозы (около 40%) шелуха овса не может быть применена и в качестве индивидуального корма для сельскохозяйственных животных, однако, по той же причине этот отход может быть успешно трансформирован в биоэтанол.
Технология переработки овощных и плодово-ягодных культур предусматривает образование большого количества отходов при инспекции, очистке, резке, протирании, прессовании и других технологических операциях. К примеру, свекловичный жом представляет собой обессахаренную стружку и составляет до 82% от общей массы переработанной свеклы. В настоящее время в качестве корма в свежем виде используют 35-40% свекловичного жома, а остальное оказывается невостребованным и вывозится в отвал. Сухой свекловичный жом содержит около 45% целлюлозы и гемицеллюлоз, что делает его перспективным сырьем для получения биоэтанола.
Мискантус - род многолетних травянистых растений семейства мятликовых, техническая культура, обладающая высокой урожайностью при минимальных затратах на возделывание и способная расти на почвах, непригодных для традиционного земледелия. Возможно получать до 15 т/га сухой массы мискантуса в течение 15-20 лет после однократных затрат на его посадку. Содержание целлюлозы в биомассе мискантуса находится на уровне 50%.
Для пояснения предлагаемого технического решения ниже приведены примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Берем шелуху овса влажностью 5,5%, проводим ее обработку 4% раствором азотной кислоты в течение 5 ч при температуре 96°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Ультрафло Коре». Начальная концентрация сухих веществ 6%; с интервалом в 4 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 15% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 50% и после охлаждения реакционной массы до 28°С вносим посевной материал Schizosaccharomyces pombe и стимуляторы биосинтеза этанола: сульфата аммония - 1,8 г/дм3, монофосфата калия - 1,0 г/дм3, сульфата магния - 1,0 г/дм3, хлорида кальция - 0,2 г/дм3 и дрожжевого экстракта - 6,5 г/дм3. По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 23,4 дал/т шелухи овса.
Пример 2.
Берем солому ячменя влажностью 15%, проводим ее обработку 12% раствором соляной кислоты в течение 5 ч при температуре 96°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX». Начальная концентрация сухих веществ 9%; с интервалом в 4 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 18% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 50% и после охлаждения реакционной массы до 30°С вносим посевной материал Pachysolen tannophillus и стимуляторы биосинтеза этанола: сульфата аммония - 2,0 г/дм3, монофосфата калия - 0,5 г/дм3, сульфата магния - 0,5 г/дм3 и дрожжевого экстракта - 8,0 г/дм3. По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 22,0 дал/т соломы ячменя
Пример 3.
Берем свекловичный жом влажностью 14%, проводим его обработку 1% раствором серной кислоты в течение 1 ч при температуре 85°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Ультрафло Коре». Начальная концентрация сухих веществ 6%; с интервалом в 8 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 20% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 47% и после охлаждения реакционной массы до 32°С вносим посевной материал Saccharomyces cerevisiae и стимуляторы биосинтеза этанола: сульфата аммония - 1,0 г/дм3, монофосфата калия - 1,0 г/дм3, пептона - 9,5 г/дм3. По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 11,0 дал/т свекловичного жома.
Пример 4.
Берем яблочный жмых влажностью 10%, проводим его обработку 1% раствором серной кислоты в течение 1,5 ч при температуре 90°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Ультрафло Коре». Начальная концентрация сухих веществ 8%; с интервалом в 8 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 22% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 45% и после охлаждения реакционной массы до 32°С вносим посевной материал Schizosaccharomyces pombe и стимуляторы биосинтеза этанола: дигидрофосфата аммония - 4,0 г/дм3, сульфата магния - 1,0 г/дм3 и дрожжевого экстракта - 3,6 г/дм3. По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 8,5 дал/т яблочного жмыха.
Пример 5.
Берем мискантус влажностью 13%, проводим его обработку 10% раствором надуксусной кислоты в течение 3 ч при температуре 98°С, промываем до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз полученного субстрата осуществляем с помощью мультиэнзимной композиции на основе ферментных препаратов: «Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX». Начальная концентрация сухих веществ 9%; с интервалом в 6 ч в систему вносим порции субстрата и соответствующего количества ферментных препаратов до 27% сухих веществ. По достижении степени конверсии субстрата в редуцирующие вещества 40% и после охлаждения реакционной массы до 30°С вносим посевной материал Kluyveromyces marxianus и стимуляторы биосинтеза этанола: дигидрофосфата аммония - 4,0 г/дм3, сульфата магния - 1,0 г/дм3, хлорида кальция - 0,2 г/дм3 и пептона - 10,2 г/дм3 По окончании спиртового брожения биоэтанол из бражки выделяем с помощью брагоректификационной установки. Выход биоэтанола составляет 19,5 дал/т мискантуса.
Предлагаемый способ реализуется на стандартном оборудовании, он эффективен и технологически целесообразен. Способ позволяет удовлетворить существующую потребность в рентабельном способе получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья.
Claims (1)
- Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья, включающий предварительную обработку сырья разбавленным раствором кислоты с концентрацией 1-12% при атмосферном давлении, совмещенную стадию ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки, отличающийся тем, что на стадии ферментативного гидролиза при начальной концентрации сухих веществ 6-9% достигают общей концентрации сухих веществ 15-27% порционным внесением субстрата и ферментных препаратов с интервалом 4-8 ч, при этом стадию проводят до момента конверсии субстрата в редуцирующие вещества на 40-50%, после чего вносят посевной материал этанол синтезирующих микроорганизмов, стимуляторы биосинтеза этанола и проводят спиртовое брожение, совмещенное с ферментативным гидролизом.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018134393A RU2701643C1 (ru) | 2018-09-27 | 2018-09-27 | Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018134393A RU2701643C1 (ru) | 2018-09-27 | 2018-09-27 | Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2701643C1 true RU2701643C1 (ru) | 2019-09-30 |
Family
ID=68170634
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018134393A RU2701643C1 (ru) | 2018-09-27 | 2018-09-27 | Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2701643C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2718762C1 (ru) * | 2019-12-11 | 2020-04-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН) | Способ получения этилена из легковозобновляемого непродовольственного растительного сырья |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2581799C1 (ru) * | 2015-03-13 | 2016-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) | Способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья |
| RU2593724C1 (ru) * | 2015-06-25 | 2016-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) | Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья |
-
2018
- 2018-09-27 RU RU2018134393A patent/RU2701643C1/ru active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2581799C1 (ru) * | 2015-03-13 | 2016-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) | Способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья |
| RU2593724C1 (ru) * | 2015-06-25 | 2016-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) | Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| KOPPRAM R., OLSSON L., Combined substrate, enzyme and yeast feed in simultaneous saccharification and fermentation allow bioethanol production from pretreated spruce biomass at high solids loadings // Biotechnology for Biofuels, 7:54, 2014, стр.1-9. * |
| KOPPRAM R., OLSSON L., Combined substrate, enzyme and yeast feed in simultaneous saccharification and fermentation allow bioethanol production from pretreated spruce biomass at high solids loadings // Biotechnology for Biofuels, 7:54, 2014, стр.1-9. СКИБА Е.А., БУДАЕВА В.В. и др., Биоэтанол из целлюлозы плодовых оболочек овса //Вестник Казанского технологического университета, т.16, N 22, 2013, стр. 202-205. UNREAN P. и др., Systematic optimization of fed-batch simultaneous saccharification and fermentation at high-solid loading based on enzymatic hydrolysis and dynamic metabolic modeling of Saccharomyces cerevisiae // Microbiol Biotechnol, 100, 2016, стр.2459-2470. * |
| UNREAN P. и др., Systematic optimization of fed-batch simultaneous saccharification and fermentation at high-solid loading based on enzymatic hydrolysis and dynamic metabolic modeling of Saccharomyces cerevisiae // Microbiol Biotechnol, 100, 2016, стр.2459-2470. * |
| СКИБА Е.А., БУДАЕВА В.В. и др., Биоэтанол из целлюлозы плодовых оболочек овса //Вестник Казанского технологического университета, т.16, N 22, 2013, стр. 202-205. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2718762C1 (ru) * | 2019-12-11 | 2020-04-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН) | Способ получения этилена из легковозобновляемого непродовольственного растительного сырья |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11293044B2 (en) | Bioprocess for coproduction of ethanol and mycoproteins | |
| Marzo et al. | Status and perspectives in bioethanol production from sugar beet | |
| CN102985550A (zh) | 用于生物质发酵的组合物和方法 | |
| CN103547677A (zh) | 用于生物质水解的体系和方法 | |
| US10240171B2 (en) | Preparation of lactic acid and/or a lactate salt from lignocellulosic material by separate saccharification and fermentation steps | |
| US20160312247A1 (en) | Integration of First and Second Generation Bioethanol Processes | |
| WO2013087901A1 (en) | Process for the fermentative production of lactic acid from a plant extract the presence of a caustic magnesium salt | |
| US12234494B2 (en) | Method for carrying out the combined operation of a bioethanol production unit and a biogas unit | |
| CN119403920A (zh) | 从啤酒糟生产真菌发酵培养基 | |
| CN112746088B (zh) | 一种以木质纤维素为原料发酵联产木糖醇和燃料乙醇的方法 | |
| Kotsanopoulos et al. | Jerusalem artichoke: an emerging feedstock for bioethanol production | |
| Prosvirnikov et al. | Protein production from cellulosic waste using candida utilis | |
| RU2581799C1 (ru) | Способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья | |
| RU2701643C1 (ru) | Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья | |
| US20130337525A1 (en) | Method of Producing Ethanol | |
| US10597688B2 (en) | Method for preparing fermentable sugar from wood-based biomass | |
| Rajoka | Production of single cell protein through fermentation of a perennial grass grown on saline lands with Cellulomonas biazotea | |
| WO2012114610A1 (ja) | エタノール製造方法 | |
| RU2762425C1 (ru) | Способ биоконверсии подсолнечной лузги в кормовой продукт с высоким содержанием белка | |
| US20140273134A1 (en) | Barley-Based Biorefinery Process | |
| CN110904159A (zh) | 一种联产阿魏酰寡糖和乙醇的方法 | |
| Dimmling et al. | Critical assessment of feedstocks for biotechnology | |
| CN118240901B (zh) | 一种利用低浓度生物质糖化液制备酵母蛋白的方法 | |
| RU2109058C1 (ru) | Способ получения спирта из гемицеллюлозных гидролизатов растительного сырья | |
| Eghosa | OPTIMIZATION OF SACCHAROMYCES CEREVISIAE FERMENTATION OF MAIZE BRAN TO ETHANOL |