СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
METHOD OF PRODUCING BIOETHANOL FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIAL

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способам получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья.
В связи с развитием биоэнергетики в настоящее время биомасса считается одним из ключевых возобновляемых энергетических ресурсов будущего. По ориентировочным оценкам мировые разведанные запасы нефтепродуктов примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы углеводородов быстро истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы биомассы растений увеличиваются. В недалеком будущем ожидается переход от нефтехимического производства к биохимической и химической переработке древесины и других видов растительного сырья. В связи с этим целлюлозосодержащее сырье обладает высоким потенциалом для производства биотоплив (например, биоэтанола) и других ценных веществ, основанного на концепции биопереработки.
Для получения биоэтанола предпочтительно исключить из сырьевой базы пищевые виды сырья (картофель, зерно, сахарный тростник, сахарная свекла), так как их использование в качестве сырья не только дорого, но и может негативно повлиять на продовольственную безопасность. Поэтому биоэтанол второго поколения целесообразно получать из непищевого целлюлозосодержащего сырья - морских водорослей, отходов сельского хозяйства (соломы и плодовых оболочек злаковых и масличных культур), биомассы энергетических растений (например, мискантуса) и другого быстровозобновляемого растительного сырья, макулатуры и бытовых отходов.
Из уровня техники известен способ получения биоэтанола по патенту США №7189306 (дата публикации 24.02.2003 г.), который включает предварительную обработку сырья, ферментативный гидролиз, спиртовое брожение и выделение биоэтанола из бражки.
К недостаткам описанного способа следует отнести сложную стадию предварительной обработки сырья для производства, а именно необходимость применения энергоемкого парового взрыва и использование в процессе получения дорогостоящего оборудования - ректификационной колонны специальной конструкции.
Из уровня техники известен также способ получения биоэтанола по заявке WO 2007036795 (дата публикации 05.04.2007 г.), включающий предварительную обработку сырья в негерметических условиях, ферментативный гидролиз, спиртовое брожение, выделение биоэтанола.
К недостаткам описанного технического решения следует отнести сложную обработку сырьевой базы для осуществления способа - бытовые отходы, используемые в процессе, требуют глубокой технологической подготовки и дополнительного оборудования.
Известен также 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 дрожжей Schizosaccharomyces pombe или Saccharomyces cerevisiae и выделение биоэтанола.
Основным и главным недостатком описанного технического решения является ограниченная сырьевая база, так как для успешной и рентабельной работы производственные мощности целесообразно располагать только вблизи океана.
В патенте РФ №2284355 (дата публикации 27.09.2006 г.) предлагается способ получения биоэтанола из растительного сырья, включающий гидролиз растительного сырья серной кислотой, нейтрализацию гидролизата аммиачной водой, аэробно-спиртовое брожение, ректификацию спиртовой бражки, утилизацию отходов.
Однако в результате процесса в остатке остаются вещества, которые невозможно эффективно утилизировать, и в воздух попадают токсические вещества - метиловый спирт, фурфурол, муравьиная, уксусная и серная кислота.
Наиболее близким и потому принятым за прототип является способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья по патенту РФ №2432368 (дата публикации 27.10.2011 г.), включающий предварительную обработку сырья, совмещенные стадии ферментативного гидролиза со спиртовым брожением, выделение биоэтанола.
К недостаткам описанного способа следует отнести использование на стадии предобработки высокого давления и температуры, что усложняет технологический процесс, требует дополнительного оборудования, является небезопасным для обслуживающего персонала; совмещенные стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения требуют использования для синтеза биоэтанола особых термофильных дрожжей. Кроме того, субстрат, получаемый описанным методом термобарической безреагентной обработки, имеет низкую реакционную способность к ферментативному гидролизу: выход сахаров от массы сырья не превышает 62%.
Задачей предлагаемого технического решения является создание простого в аппаратурном исполнении и эффективного способа получения биоэтанола из целлюлозосодержащего быстровозобновляемого сырья, позволяющего осуществить промышленное масштабирование процесса с использованием стандартного оборудования.
Поставленная задача решается предлагаемым способом получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья, который включает предварительную обработку сырья, совмещенные стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки, при этом предварительная обработка проводится разбавленным раствором кислоты с концентрацией 1-14% при температуре 85-98°C при атмосферном давлении в течение 3-18 ч, совмещение стадий осуществляется с помощью любых видов этанолсинтезирующих дрожжей, а в качестве целлюлозосодержащего сырья выбрана солома, или плодовые оболочки злаков, или отходы масличных культур, или мискантус, или жом сельскохозяйственных культур.
В частном случае совмещение стадий осуществляется с помощью любых видов этанолсинтезирующих бактерий.
Анализ, проведенный с целью определения уровня техники по патентной и научно-технической литературе, показал, что на момент подачи заявки неизвестно техническое решение, касающееся производства биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья, характеризующееся всей совокупностью признаков, изложенных в предлагаемой формуле изобретения, хотя отдельные признаки, вынесенные в ограничительную часть, известны.
Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа тем, что предварительная обработка проводится разбавленным раствором кислоты с концентрацией 1-14% при температуре 85-98°C при атмосферном давлении в течение 3-18 часов, на совмещенных стадиях ферментативного гидролиза и спиртового брожения синтез биоэтанола осуществляется с помощью любых видов непатогенных этанолсинтезирующих дрожжей, а в качестве целлюлозосодержащего сырья выбрана солома, или плодовые оболочки злаков, или отходы масличных культур, или мискантус, или жом сельскохозяйственных культур.
В отдельных случаях совмещение стадий осуществляется с помощью любых видов непатогенных этанолсинтезирующих бактерий.
Целлюлозосодержащее сырье представляет собой прочную матрицу, образованную целлюлозой и гемицеллюлозой и скрепленную лигнином, взаимосвязь этих компонентов обуславливает устойчивость матрицы ко всем внешним воздействиям, поэтому для ее деструкции применяют комбинаторные способы. Предобработка необходима для повышения доступности целлюлозы и гемицеллюлозы к действию гидролитических ферментов и получения высокой степени конверсии данных полимеров в сахара.
Ферментативный гидролиз целлюлозосодержащего сырья проводится в мягких условиях, что, в отличие от химического гидролиза, исключает образование токсичных полупродуктов, а также гарантирует высокий выход сбраживаемых сахаров. Полученный раствор сахаров подвергают спиртовому брожению с помощью микроорганизмов (дрожжей или любых других этанолсинтезирующих микроорганизмов), затем из полученной бражки выделяют биоэтанол путем ректификации.
Температурный режим обработки сырья выбран, исходя из следующего: проведение процесса при более низкой температуре - ниже 85°C требует увеличения продолжительности процесса химической предобработки кислотой или щелочью, что экономически нецелесообразно. Повышение температуры выше 98°C требует особого оборудования для проведения процессов под давлением. Следовательно, указанная температура - 85-98°C является основным параметром успешной обработки сырья кислотой.
Продолжительность обработки сырья кислотой в течение 3-18 часов необходима для полного осуществления всех массообменных процессов, сопровождающихся активным выделением жидких и газообразных продуктов кислотного или щелочного гидролиза в гетерофазной среде. Продолжительность обработки менее 3 часов не обеспечивает необходимую степень превращения растительного сырья в субстрат для успешного ферментативного гидролиза. Увеличение времени обработки более 18 часов приводит к нежелаемому снижению выхода субстрата, вследствие гидролиза гемицеллюлоз и целлюлозы, поэтому не рекомендовано продолжать процесс более 18 часов. Продолжительность обработки сырья кислотой или щелочью выбирается в зависимости от вида субстрата, его морфологических особенностей, прочности и т.п.
Интервал концентрации кислоты выбран, исходя из следующего: понижение концентрации менее 1% нецелесообразно, так как это будет способствовать увеличению времени обработки. Повышение концентрации более 14% будет способствовать гидролизу гемицеллюлоз и целлюлозы.
Спиртовое брожение в предложенном способе, как показали исследования, успешно осуществляется с помощью любых этанолсинтезирующих микроорганизмов, и не зависит от их природы, что выгодно отличает данный способ от прототипа, согласно которому используются только термофильные дрожжи.
Проведение одновременного процесса ферментативного гидролиза и спиртового брожения позволяет сократить продолжительность стадий в 1,5 раза и исключить фильтрацию промежуточного продукта - ферментативного гидролизата. Благодаря этому уменьшаются затраты при получении биоэтанола и упрощается технологический процесс, что важно для его успешного масштабирования.
В качестве целлюлозосодержащего сырья в предлагаемом способе используется мискантус, который является технической культурой, и отводить под его плантации - плодородные пахотные земли нет необходимости. Нетребовательность к почвам - его безусловное преимущество. Мискантус является многолетним злаком и, начиная с третьего года культивирования, может ежегодно, на протяжении 15 лет, продуцировать на одном поле 10-15 т/га сухой биомассы, что соответствует 4-6 т/га чистой целлюлозы высокого качества. После 15 лет вегетация плантации прекращается и закладывается новая. Расчет сделан, исходя из минимальной продуктивности мискантуса в условиях Западной Сибири (10 т/га в год), начиная с третьего года существования плантации. Продуктивность плантации второго года принята 5 т/га в год.
Около 1/20 общей продуктивности биосферы составляют продукты сельскохозяйственного производства, которые ежегодно дают 8,7 млрд. т органического вещества. В настоящее время особую группу возобновляемого сырья составляют так называемые «концентрированные» отходы сельхозпереработки (солома и шелуха злаковых культур). Годовой сбор соломы может составлять 3-5 т/га на очень больших площадях под зерновыми культурами. Этот урожай эквивалентен по сухому веществу годовому приросту деловой древесины в естественных лесах. Относительная легкость химической переработки и исключительно низкая стоимость сырья позволили включить солому злаковых культур и природный тростник в современный перечень перспективного волокносодержащего сырья.
3
У пленчатых зерновых культур (просо, рис, овес, ячмень) плодовые оболочки составляют до 30% от массы злака. Например, плодовые оболочки (шелуха, лузга) овса составляют 28% от массы зерна и при низкой удельной плотности 0,2 т/м и отсутствии схемы их утилизации являются нерешенной проблемой для зерноперерабатывающих заводов со средней производительностью 1400 т овса в месяц. В связи с высоким содержанием целлюлозы (до 35%) плодовые оболочки овса можно рассматривать как концентрированный вид недревесных целлюлозосодержащих отходов, потенциальный источник целлюлозы.
При уборке зерновых и масличных культур соотношение массы зерна к массы соломы составляет от 1/1,5 до 1/2,5, т.е. солома является перспективным сырьем. Химический состав соломы зависит от вида и сорта культуры, климатических и агротехнических особенностей возделывания, др. факторов и варьирует в широких пределах. Например, солома пшеницы состоит из целлюлозы (35-49%), лигнина (18-24,5%), гемицеллюлоз (19-30%), минеральных веществ (4,6-5,5%). Таким образом, солома пшеницы на 54-79% состоит из углеводных компонентов, при гидролизе которых образуется раствор сахаров.
Жом - это побочный продукт, получаемый на заводах по переработке овощного и плодово-ягодного сырья, и является ценным углеводным сырьем. Например, для сахарной свеклы жом составляет до 82% от общей массы переработанной свеклы. По своему химическому составу сухой свекловичный жом включает около 45% целлюлозы и гемицеллюлозы, и около 50% пектиновых веществ.
Для пояснения описанного технического решения ниже приведены примеры заявляемого способа.
Пример 1.
Биомассу мискантуса с влажностью 35% подвергают химической обработке раствором надуксусной кислоты с концентрацией 10% при температуре 98°C в течение 3 ч, далее промывают до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз проводят при температуре 50°C и активной кислотности 3,5 ед. pH. Концентрация субстрата составляет 45 г/л. Ферментные препараты «Целлолюкс - А» и «Брюзайм BGX» вносят в расчете 0,02 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 64 ч. Затем ферментативный гидролизат охлаждают до 30°C, вносят засевные дрожжи Schizosaccharomyces pombe в количестве 9% и в течение 72 ч проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т мискантуса составляет 17 дал.
Пример 2.
Биомассу плодовых оболочек овса с влажностью 5% подвергают химической обработке раствором серной кислоты с концентрацией 1% при температуре 90°С в течение 16 ч, далее промывают до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз проводят при температуре 46°С и активной кислотности 6,0 ед. pH. Концентрация субстрата составляет 70 г/л. Ферментные препараты «Целлолюкс - А» и «Брюзайм BGX» вносят в расчете 0,02 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 30 ч. Затем вносят бактерии Zymomonas mobilis в количестве 10% и в течение 40 ч проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т плодовых оболочек овса составляет 21 дал.
Пример 3.
Биомассу свекловичного жома с влажностью 50% подвергают химической обработке раствором азотной кислоты с концентрацией 7% при температуре 96°С в течение 9 ч, далее промывают до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз проводят при температуре 40°С и активной кислотности 5,6 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 60 г/л. Ферментные препараты «Целлолюкс - А» и «Брюзайм BGX» вносят в расчете 0,02 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 24 ч. Затем ферментативный гидролизат охлаждают до 30°С, вносят дрожжи Schizosaccharomyces pombe в количестве 10% и в течение 56 ч проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т свекловичного жома составляет 8,9 дал.
Пример 4.
Биомассу соломы льна-межеумка с влажностью 9% подвергают химической обработке раствором соляной кислоты с концентрацией 14% при температуре 85°С в течение 4 ч, далее промывают до нейтральной реакции. Ферментативный гидролиз проводят при температуре 42°С и активной кислотности 4,2 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 90 г/л. Ферментные препараты «Целлолюкс - А» и «Брюзайм BGX» вносят в расчете 0,02 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 14 ч. Затем вносят дрожжи Saccharomyces cerevisiae в количестве 5% и в течение 42 ч проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т соломы льна-межеумка составляет 12,1 дал.
Методом газожидкостной хроматографии установлено, что ферментативный способ гидролиза быстровозобновляемого целлюлозосодержащего сырья позволяет получать биоэтанол с низким содержанием эфиров и сивушных масел. Метанол в опытных образцах биоэтанола отсутствует.
Предлагаемый способ эффективен и технологически целесообразен, реализуется на стандартном оборудовании и позволяет получить биоэтанол из быстровозобновляемого целлюлозосодержащего сырья, отличающегося высокой урожайностью и экономическим потенциалом выращивания. Реализация способа позволит удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи с получением технического результата, который невозможно получить при осуществлении по прототипу.