СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО СЫРЬЯ
METHOD OF PROCESSING LIGNOCELLULOSE STOCK

Изобретение относится к способу переработки лигноцеллюлозного сырья, в частности к области получения жидких органических веществ из растительного сырья.
Известен способ переработки лигноцеллюлозного сырья, описанный в US 20110144359, 2011, заключающийся в обработке сырья водным раствором органической кислоты при температуре не менее 100°C и давлении не более 10 атм с отделением лигнина и целлюлозы в качестве отходов и с получением гидролизата гемицеллюлоз, который подвергается нагреванию до температуры не менее 130°C для образования фурфурола из пятичленных сахаров и отделения образовавшегося фурфурола. Недостатками способа являются использование органических кислот, а также образование отходов, включающих лигнин и целлюлозу и составляющих более половины исходного сырья по массе.
Наиболее близким к изобретению является способ переработки лигноцеллюлозного сырья, описанный в US 20100081798, 2010, заключающийся в ферментативном гидролизе лигноцеллюлозного сырья, обработанного ионной жидкостью для получения продуктов сбраживания получаемых при этом сахаров.
Способ проводят следующим образом. Лигноцеллюлозное сырье, представляющее собой, например, древесину, отходы деревообработки, солому, багассу, травянистые части растений, размалывают, подвергают растворению в ионной жидкости, например ацетате 1,3-диэтилимидазолия, путем перемешивания размолотого сырья и ионной жидкости при нагревании до 100°C в течение 46 часов, получая, таким образом, раствор целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина. Затем проводят осаждение целлюлозы из полученного раствора путем медленного добавления раствора к взятому в избытке спирту при 60°C и перемешивания в течение 30 минут при этой температуре и затем 30 минут при охлаждении смеси до комнатной температуры. Образовавшийся осадок, состоящий, главным образом, из целлюлозы и гемицеллюлоз, отделяют от маточного раствора фильтрованием, промывают от остатков ионной жидкости кипячением в избытке воды и отфильтровывают снова. Из маточного раствора осаждают лигнин добавлением горячей воды и перемешиванием раствора в течение 5 часов. Лигнин отфильтровывают, а из раствора регенерируют ионную жидкость испарением спирта и воды. Осадок, состоящий, главным образом, из целлюлозы и гемицеллюлоз, помещают в ацетатный буферный раствор концентрацией 0,05 моль/л и pH=4,8, добавляют к раствору смесь целлюлолитических ферментов и выдерживают раствор при 55°C в течение 48 часов. Полученный раствор сахаров сбраживают с помощью микроорганизмов. Продуктом сбраживания сахаров, в частности, может быть этанол.
Недостатками способа являются его сложная технология, обусловленная наличием стадий, связанных с использованием воды и, как следствие, приводящих к повышению энергозатрат и необходимости очистки образующихся в большом количестве сточных вод, необходимость разделения водно-спиртовой смеси для регенерации спирта, необходимость проведения нескольких последовательных стадий гидролиза и сбраживания осадка, состоящего, главным образом, из целлюлозы и гемицеллюлоз, а также длительное время проведения процесса. Кроме того, известному способу свойственно наличие значительных количеств отходов, поскольку проведение указанного способа не позволяет в полной мере использовать исходное сырье. Все вышеперечисленное приводит к низкой эффективности способа в целом.
Задачей описываемого изобретения заключается в повышении эффективности способа переработки лигноцеллюлозного сырья.
Поставленная задача достигается описываемым способом переработки лигноцеллюлозного сырья, заключающимся в том, что лигноцеллюлозное сырье смешивают с ионной жидкостью - солью замещенного имидазолия, выдерживают под вакуумом при температуре 80-100°C и перемешивании, охлаждают, добавляют к смеси этанол, перемешивают, образовавшуюся массу подвергают фильтрованию с получением первого фильтрата и первого осадка, включающего целлюлозу и гемицеллюлозы, из первого фильтрата отгоняют этанол с последующей рециркуляцией образовавшейся после отгонки спирта жидкости на смешение с новой порцией сырья, первый осадок, включающий целлюлозу и гемицеллюлозы, помещают в буферный раствор, добавляют к полученной массе смесь целлюлолитических ферментов, а также культуру дрожжей, выдерживают полученный продукт при 30-40°C для одновременного гидролиза и сбраживания целлюлоз и гемицеллюлоз, подвергают фильтрованию с получением второго фильтрата и второго осадка, ко второму осадку добавляют водный раствор серной кислоты концентрацией 10-15% масс. и хлорид натрия из расчета 200-300 г/л раствора серной кислоты и подвергают экстракционной перегонке с выделением смеси фурфурола и гидроксиметилфурфурола, из второго фильтрата отгоняют этанол.
Достигаемый технический результат заключается в проведении способа по более простой технологии за счет снижения количества стадий, отсутствия стадий, проведение которых требует большого количества воды, и, следовательно, снижения энергозатрат на ее отделение и исключения наличия большого количества сточных вод, в более полном использовании исходного лигноцеллюлозного сырья, в сокращении времени проведения процесса, в возможности использования, в том числе, таких ионных жидкостей, как, например, хлориды замещенных имидазолиев, которые являются более дешевыми, в отличие от дорогостоящих негигроскопичных ионных жидкостей, используемых в известном способе.
Способ проводят следующим образом: порцию лигноцеллюлозного сырья размалывают, помещают в вакуумируемый, термостатируемый сосуд, добавляют ионную жидкость, выдерживают под вакуумом при температуре 80-100°C и перемешивании в течение 2-36 часов, охлаждают, добавляют этанол под током осушенного воздуха, перемешивают в течение 10-30 минут. Образовавшуюся массу подвергают фильтрованию под вакуумом с получением первого фильтрата и первого осадка, включающего целлюлозу и гемицеллюлозы. Из первого фильтрата отгоняют этанол с помощью отгонки при пониженном давлении, а оставшуюся после отгонки спирта жидкость (ионная жидкость, содержащая примеси лигнина и других компонентов) используют для обработки новой порции сырья. Через каждые 4-5 циклов использования ионной жидкости осаждают растворенный в ней лигнин путем добавления воды в соотношении от 1:2 до 4:1 по объему и последующего перемешивания раствора в течение 15-30 минут, осадок лигнина отфильтровывают, из ионной жидкости отгоняют воду при пониженном давлении. Первый осадок, включающий целлюлозу и гемицеллюлозы, помещают в буферный раствор, добавляют к полученной массе одновременно смесь целлюлолитических ферментов и культуру дрожжей, выдерживают полученный продукт при 30-40°C в течение 12-36 часов для одновременного гидролиза и сбраживания целлюлоз и гемицеллюлоз и подвергают фильтрованию с получением второго фильтрата и второго осадка. Указанный осадок включает негидролизованные остатки целлюлозы и гемицеллюлоз, а также биомассу дрожжей. Из второго фильтрата выделяют этанол с помощью отгонки и ректификации, а к осадку добавляют раствор серной кислоты концентрацией 10-15% масс. и хлорид натрия из расчета 200-300 г на 1 литр раствора серной кислоты. Осуществляют выделение образующихся при кислотном гидролизе фурфурола и гидроксиметилфурфурола методом экстракционной перегонки в присутствии органического растворителя, например хлороформа, четыреххлористого углерода, помещая в сосуд-приемник порцию органического растворителя и осуществляя рециркуляцию водной фазы из приемника в перегонный куб. В результате получают этанол и смесь фурфурола и гидроксиметилфурфурола.
В описываемом способе в качестве лигноцеллюлозного сырья возможно использовать, в частности, древесные опилки хвойных и лиственных пород, кукурузную кочерыжку, шелуху семян подсолнечника, солому пшеничную, ботву культурных растений, бамбуковые опилки, виноградные косточки, оливковые косточки, скорлупу орехов и другие отходы сельского хозяйства.
В качестве смеси целлюлолитических ферментов и культуры дрожжей могут быть использованы такие биологические объекты, которые проявляют максимальную активность в интервале температур от 30 до 40°C для эффективного проведения процесса одновременного гидролиза и сбраживания. Это условие является необходимым в силу того, что указанный температурный интервал обеспечивает возможность совмещения гидролиза и сбраживания в одном реакционном сосуде, что позволяет избежать дополнительной стадии выделения полупродуктов, а также ингибирования процесса гидролиза глюкозой при максимальном выходе целевых продуктов.
В качестве смеси целлюлолитических ферментов могут быть использованы ферменты, вырабатываемые целлюлолитическими микроорганизмами, относящимися к бактериям или грибам, в частности к родам бактерий Bacillus, Azospirillum, Clostridium и Streptomyces или к родам грибов Thermoascus, Acremonium, Chaetomium, Achaetomium, Thielavia, Aspergillus, Botritis, Chrysosporium, Collibia, Fomes, Fusarium, Humicola, Hypocrea, Lentinus, Melanocarpus, Myceliophthora, Myriococcum, Neurospora, Penicillium, Phanerochaete, Phlebia, Pleurotus, Podospora, Polyporus, Rhizoctonia, Scytalidium, Pycnoporus, Trametes и Trichoderma.
Выбор конкретных ферментов осуществляют исходя из доступности промышленных штаммов, значения удельной целлюлолитической активности ферментов, оптимальной температуры проведения совмещенного процесса гидролиза и сбраживания. Активность целлюлолитических ферментов, в отличие от всех прочих ферментов, согласно ИЮПАК определяется в единицах FPU (filter paper unit) - одна единица FPU соответствует выделению 2,0 мг глюкозы из 50 мг фильтровальной бумаги в течение 1 часа [T.K. Ghose (1987) Measurement of cellulose activities // Pure&Appl. Chem., 59, 257-268]. Таким образом, использование вышеуказанных стандартных единиц активности дает возможность точного расчета необходимого количества целлюлолитического фермента вне зависимости от его природы, так как для получения одного и того же количества глюкозы в одинаковых условиях может потребоваться различное количество ферментов.
В качестве культуры дрожжей могут быть использованы дрожжи, относящиеся, в частности, к родам Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Candida, Isaatchenkia, Kluyveromyces и к другим родам. Выбор конкретных штаммов дрожжей и их дозировки осуществляют исходя из доступности промышленных штаммов, способности дрожжей продуцировать этанол при брожении, оптимальной температуры проведения совмещенного процесса гидролиза и сбраживания.
В качестве ионных жидкостей используют соли замещенных имидазолиев, например, соли 1-замещенных-3-метилимидазолиев, где в качестве заместительного радикала могут быть аллил, метил, этил, бутил, бензил и другие углеводородные радикалы. К анионам в составе ионных жидкостей относятся хлорид, бромид, ацетат, формиат, гексафторофосфат, тетрафтороборат и другие анионы органических или неорганических кислот, предпочтительно используются хлориды замещенных имидазолиев, более предпочтительно используются хлориды 1-замещенных-3-метилимидазолиев.
2
4
2
2
4
2
2
4
2
4
3
2
3
2
3
3
6
5
7
2
3
6
5
7
2
6
8
7
В описываемом способе используют такие буферные растворы, как, например, фосфатный буферный раствор, содержащий гидрофосфат натрия или калия (NaHPO·2HO или KHPO·2HO) и дигидрофосфат натрия или калия (NaHPO или KHPO) в концентрации от 0,01 до 0,1 моль/л и имеющий pH в диапазоне от 4,8 до 8,0; ацетатный буферный раствор, содержащий ацетат натрия или калия (CHCOONa·3HO или CHCOOK·3HO) и уксусную кислоту (CHCOOH) в концентрации от 0,01 до 0,1 моль/л и имеющий pH в диапазоне от 3,8 до 6,3; цитратный буферный раствор, содержащий цитрат натрия или калия (NaCHO·2HO или KCHO·2HO) и лимонную кислоту (CHO) в концентрации от 0,01 до 0,1 моль/л и имеющий pH в диапазоне от 1,1 до 6,6. Буферный раствор выбирают исходя из pH среды, при котором наблюдается максимальная целлюлолитическая активность используемого ферментного препарата.
Ниже приведены примеры, иллюстрирующие описываемый способ, но не ограничивающие его.
Пример 1
Опилки березовые массой 400 г помещают в круглодонную колбу, добавляют 4000 г хлорида 1-бутил-3-метилимидазолия, помещают в колбу магнитный перемешивающий элемент, вакуумируют ее с помощью мембранного насоса, помещают в жидкостный термостат, оснащенный магнитной мешалкой и нагретый до температуры 90°C, выдерживают при заданной температуре и перемешивании в течение 12 часов, охлаждают, добавляют к образовавшемуся раствору 4 л этанола под током осушенного воздуха, перемешивают в течение 20 минут, отделяют осадок, включающий целлюлозу и гемицеллюлозы, фильтрованием под вакуумом. Полученный первый фильтрат подвергают перегонке в вакууме, создаваемом мембранным насосом, отбирая фракцию 78-80°C (значение температуры здесь и далее приведено для атмосферного давления), которая представляет собой этанол, пригодный для повторного использования. Образовавшаяся после отгонки спирта жидкость - кубовый остаток вакуумной перегонки представляет собой ионную жидкость, содержащую примеси лигнина и других компонентов. Указанная жидкость пригодна для повторного использования. Ее рециркулируют на смешение с новой порцией сырья. Отделенный первый осадок массой 299 г, включающий, преимущественно, целлюлозу и гемицеллюлозы, помещают в стерильную коническую колбу с 0,9 л ацетатного буферного раствора концентрацией 0,05 М и pH=5,5. К полученной массе добавляют ферментный препарат, представляющий собой смесь целлюлолитических ферментов, вырабатываемых микроорганизмами Trichoderma viride DSM-63065, из расчета 10 FPU/г субстрата и культуру дрожжей Saccharomyces cerevisiae DSM-70449 из расчета 0,1 г биомассы дрожжей на 1,0 г субстрата. Указанная дозировка ферментов, выраженная в единицах FPU/г субстрата, является минимальным количеством для эффективного сбраживания различных целлюлозосодержащих субстратов. Колбу закрывают стерильной резиновой пробкой с гидрозатвором, помещают в шейкер-инкубатор на 36 часов. Затем полученный продукт подвергают фильтрованию. Из полученного первого фильтрата путем перегонки с водяным паром получают образовавшийся этанол в виде первичного погона (концентрация этанола 30-50% об.). Первичный погон разделяют ректификацией на спирт-ректификат и воду. К полученному при фильтровании второму осадку добавляют 250 г хлорида натрия, 1 л 15,0% водного раствора серной кислоты и проводят экстракционную перегонку, помещая в приемник 100 мл хлороформа и рециркулируя водную фазу из приемника в перегонный куб. Отделяют органический слой из приемника и отгоняют смесь фурфурола и гидроксиметилфурфурола. В результате описываемого способа получают этанол и дополнительно смесь фурфуролов. Время проведения составляет примерно 48 часов. Таким образом, время проведения способа сокращается почти в два раза (примерно 96 часов в известном способе).
Пример 2
Размолотую кукурузную кочерыжку массой 400 г помещают в круглодонную колбу, добавляют 2700 г хлорида 1-бензил-3-метилимидазолия и магнитный перемешивающий элемент, вакуумируют колбу с помощью мембранного насоса при остаточном давлении 8 мбар, помещают в жидкостный термостат, оснащенный магнитной мешалкой и нагретый до температуры 90°C, выдерживают при заданной температуре и перемешивании в течение 8 часов, охлаждают, добавляют к смеси 2,7 л этанола под током осушенного воздуха, перемешивают в течение 20 минут. Образовавшуюся массу подвергают фильтрованию с получением первого фильтрата и первого осадка. Первый фильтрат подвергают перегонке в вакууме, создаваемом мембранным насосом, отбирая фракцию 78-80°C, которая представляет собой этанол, пригодный для повторного использования. Образовавшаяся после отгонки спирта жидкость - кубовый остаток вакуумной перегонки - представляет собой ионную жидкость, содержащую примеси лигнина и других компонентов. Указанная жидкость пригодна для повторного использования. Ее рециркулируют на смешение с новой порцией сырья. Отделенный первый осадок массой 312 г, включающий, преимущественно, целлюлозу и гемицеллюлозы, помещают в стерильную коническую колбу с 0,9 л фосфатного буферного раствора концентрацией 0,05 М и pH=6,5. К полученной массе добавляют ферментный препарат, представляющий собой смесь целлюлолитических ферментов, вырабатываемых микроорганизмами Myceliophthora thermophile DSM-1799, из расчета 10 FPU/г субстрата и культуру дрожжей Kluyveromyces marxianus DSM-5422 из расчета 0,1 г биомассы дрожжей на 1 г субстрата. Колбу закрывают стерильной резиновой пробкой с гидрозатвором, помещают в шейкер-инкубатор на 24 часа. Затем полученный продукт подвергают фильтрованию. Из полученного первого фильтрата путем перегонки с водяным паром получают образовавшийся этанол в виде первичного погона (концентрация этанола 30-50% об.). Первичный погон разделяют ректификацией на спирт-ректификат и воду. К полученному при фильтровании второму осадку добавляют 250 г хлорида натрия, 0,9 л 15,0% водного раствора серной кислоты и проводят экстракционную перегонку, помещая в приемник 100 мл четыреххлористого углерода, и рециркулируют водную фазу из приемника в перегонный куб. Отделяют органический слой из приемника и отгоняют смесь фурфурола и гидроксиметилфурфурола. В результате описываемого способа получают этанол и дополнительно смесь фурфуролов из кукурузной кочерыжки. Время проведения составляет примерно 48 часов. Таким образом, время проведения способа сокращается в два раза (примерно 96 часов в известном способе).
Пример 3
Измельченную солому пшеничную массой 300 г помещают в круглодонную колбу, добавляют 3000 г ацетата 1-этил-3-метилимидазолия, помещают в колбу магнитный перемешивающий элемент, вакуумируют ее с помощью водоструйного насоса при остаточном давлении 24 мбар, помещают в жидкостный термостат, оснащенный магнитной мешалкой и нагретый до температуры 90°С, выдерживают при заданной температуре и перемешивании в течение 12 часов, охлаждают, добавляют к образовавшемуся раствору 3 л этанола под током осушенного воздуха, перемешивают в течение 20 минут, отделяют осадок, включающий целлюлозу и гемицеллюлозы, фильтрованием под вакуумом мембранного насоса. Полученный первый фильтрат подвергают перегонке под вакуумом мембранного насоса, отбирая фракцию 78-80°С, которая представляет собой этанол, пригодный для повторного использования. Образовавшаяся после отгонки спирта жидкость - кубовый остаток вакуумной перегонки представляет собой ионную жидкость, содержащую примеси лигнина и других компонентов. Указанная жидкость пригодна для повторного использования. Ее рециркулируют на смешение с новой порцией сырья. Отделенный первый осадок массой 190 г, включающий, преимущественно, целлюлозу и гемицеллюлозы, помещают в стерильную коническую колбу с 0,9 л ацетатного буферного раствора концентрацией 0,05 М и pH=5,5. К полученной массе добавляют ферментный препарат, представляющий собой смесь целлюлолитических ферментов, вырабатываемых микроорганизмами Trichoderma viride DSM-63065, из расчета 12 FPU/г субстрата и культуру дрожжей Kluyveromyces marxianus DSM-5422 из расчета 0,1 г биомассы дрожжей на 1,0 г субстрата. Колбу закрывают стерильной резиновой пробкой с гидрозатвором, помещают в шейкер-инкубатор на 12 часов. Затем полученный продукт подвергают фильтрованию. Из полученного первого фильтрата путем перегонки с водяным паром получают образовавшийся этанол в виде первичного погона (концентрация этанола 30-50% об.). Первичный погон разделяют ректификацией на спирт-ректификат и воду. К полученному при фильтровании второму осадку добавляют 250 г хлорида натрия, 1,2 л 12,0% масс. водного раствора серной кислоты и проводят экстракционную перегонку, помещая в приемник 100 мл хлороформа и рециркулируя водную фазу из приемника в перегонный куб. Отделяют органический слой из приемника и отгоняют смесь фурфурола и гидроксиметилфурфурола. В результате описываемого способа получают этанол и дополнительно смесь фурфуролов из соломы пшеничной. Время проведения составляет примерно 36 часов. Таким образом, время проведения способа сокращается более чем в два раза (примерно 96 часов в известном способе).
Пример 4
Размолотую шелуху семян подсолнечника массой 500 г помещают в круглодонную колбу, добавляют 3900 г бромида 1-этил-3-метилимидазолия и магнитный перемешивающий элемент, вакуумируют колбу с помощью роторно-пластинчатого насоса при остаточном давлении 1,5 мбар, помещают в жидкостный термостат, оснащенный магнитной мешалкой и нагретый до температуры 90°C, выдерживают при заданной температуре и перемешивании в течение 8 часов, охлаждают, добавляют к смеси 3,9 л этанола под током осушенного воздуха, перемешивают в течение 20 минут. Образовавшуюся массу подвергают фильтрованию с получением первого фильтрата и первого осадка. Первый фильтрат подвергают перегонке в вакууме, создаваемом мембранным насосом, отбирая фракцию 78-80°C, которая представляет собой этанол, пригодный для повторного использования. Образовавшаяся после отгонки спирта жидкость - кубовый остаток вакуумной перегонки - представляет собой ионную жидкость, содержащую примеси лигнина и других компонентов. Указанная жидкость пригодна для повторного использования. Ее рециркулируют на смешение с новой порцией сырья. Отделенный первый осадок массой 215 г, включающий, преимущественно, целлюлозу и гемицеллюлозы, помещают в стерильную коническую колбу с 0,9 л цитратного буферного раствора концентрацией 0,05 М и pH=5,0. К полученной массе добавляют ферментный препарат, представляющий собой смесь целлюлолитических ферментов, вырабатываемых микроорганизмами Myceliophthora thermophile DSM-1799, из расчета 10 FPU/г субстрата и культуру дрожжей Saccharomyces cerevisiae DSM-70449 из расчета 0,1 г биомассы дрожжей на 1 г субстрата. Колбу закрывают стерильной резиновой пробкой с гидрозатвором, помещают в шейкер-инкубатор на 36 часов. Затем полученный продукт подвергают фильтрованию. Из полученного первого фильтрата путем перегонки с водяным паром получают образовавшийся этанол в виде первичного погона (концентрация этанола 30-50% об.). Первичный погон разделяют ректификацией на спирт-ректификат и воду. К полученному при фильтровании второму осадку добавляют 250 г хлорида натрия, 1,5 л 10,0% масс. водного раствора серной кислоты и проводят экстракционную перегонку, помещая в приемник 100 мл четыреххлористого углерода и рециркулируя водную фазу из приемника в перегонный куб. Отделяют органический слой из приемника и отгоняют смесь фурфурола и гидроксиметилфурфурола. В результате описываемого способа получают этанол и дополнительно смесь фурфуролов из шелухи семян подсолнечника. Время проведения составляет примерно 48 часов. Таким образом, время проведения способа сокращается в два раза (примерно 96 часов в известном способе).
Таким образом, описываемое изобретение позволяет упростить технологию способа, сократить время на его проведение, сократить количество отходов на 30-60% отн. за счет получения кроме спирта дополнительно смеси фурфурола и гидроксиметилфурфурола.