Исследование кинетики и оптимизация условий проведения процесса гидролиза соломы ферментным комплексом ns50012

М. В. Харина, Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев,

В. М. Емельянов

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА ГИДРОЛИЗА СОЛОМЫ ФЕРМЕНТНЫМ КОМПЛЕКСОМ NS50012

Ключевые слова: ферментолиз, солома, целлюлоза, редуцирующие вещества.

Проведены исследования по ферментативному гидролизу соломы при варьировании температуры, рН и концентрации фермента с целью получения ферментолизатов с максимальным содержанием редуцирующих веществ.

Key words: fermentolysis, straw, cellulose, reducing substances.

There was carried out studies on enzymatic hydrolysis of straw in the variation of temperature, pH and concentration of the enzyme in order to obtain hydrolysates with a maximum content of reducing substances.

Исследование процессов гидролиза ферментного комплекса N850012 фирмы Новозаймс проводили на установке для ферментативного гидролиза целлюлозосодержащего сырья с компьютерной системой управления, позволяющей управлять процессом, в ручном и в автоматическом режиме [1, 2].

Лабораторная установка позволяет осуществлять исследование процессов ферментативного гидролиза растительного сырья при гидромодуле 1:10 и более и в регулируемом температурном диапазоне 30°С - 75°С [3].

В современных биотехнологических процессах необходимо регистрировать и анализировать множество быстро изменяющихся факторов (концентрация субстрата, биомассы, продукта, рН, температура, парциальное давление кислорода и др.) [4].

В ходе всех экспериментальных исследований кинетики и оптимизации условий проведения процесса ферментативного гидролиза измеряли значение рН в ферментолизате, скорость вращения мешалки, ток в цепи якоря электродвигателя, падение напряжения на якоре двигателя.

Активность ферментов зависит от рН раствора, в котором протекает ферментативная реакция. Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, даже небольшое отклонение от данного значения рН приводит к понижению ферментативной активности. Изменение рН среды приводит к изменению степени ионизации кислотных и основных групп, как активного центра фермента, так и самого субстрата. Следовательно, изменение рН влияет на сродство субстрата к активному центру фермента и на каталитический механизм реакции. Значение рН в оптимуме отвечает наилучшему связыванию субстрата ферментом и наибольшей скорости катализа [5]. Основным параметром автоматизированной системы управления ферментолизера является уровень pH среды [1].

В ходе всего процесса подачу титрантов (растворы НС1 и ЫаОИ) в ферментер осуществляли из бачков перистальтическими насосами. В конце процесса определяли расход титранта по изменению масс бачков, а в отдельных экспериментах - по бю-

реткам кл.2, используемым в качестве мерных промежуточных емкостей.

Проведены исследования процессов ферментативного гидролиза соломы жидкими целлюлоли-тическими ферментными комплексами фирмы Но-вазаймс [6].

Контрольные эксперименты для изучения ферментативной кинетики осуществляли, используя в качестве источника целлюлозы обеззоленную бумагу. В экспериментальных процессах ферментоли-за использовалась предварительно размолотая, просеянная и просушенная солома до постоянной величины в сушильном шкафу при температуре 120 °С в течение 2 часов. Солома предварительно запаривалась в автоклаве при избыточном давлении 0,1 МПа в течение 3 часов в нейтральной (эксперимент 1, 2), щелочной (эксперимент 3) и кислой среде (эксперимент 4) [7].

Процессы ферментолиза проводили в соответствии с характеристикой применяемого ферментного препарата при поддержании активной кислотности и температуры в оптимальных диапазонах для данного фермента. Длительность процессов ферментолиза составляла от 8 до 72 часов.

Используемый в процессе

мультиферментный комплекс N850012 состоит из таких ферментов как: арабиназа, р-глюканаза,

целлюлаза, гемицеллюлаза, пектиназа и ксиланаза. Оптимальными условиями по данным производителя для N850012 являются рН 4,5-6,0 и 25-55 °С.

В экспериментальные процессы ферментоли-за подавали одинаковое количество фермента - 8 мл (активностью 100 РВв/^). В целях максимального выхода при ферментативном гидролизе в экспериментах 2 - 4 использовали оптимизированное сочетание дополнительных ферментов фирмы Нова-займс, так как оптимальное сочетание ферментов во многом зависит от содержания в субстрате различных фракций (целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина). В эксперименте 2 использовались дополнительные ферменты: р-глюканаза, ксиланаза, р-

глюкозидаза, глюкоамилаза, эндо-ксиланаза в суммарном количестве 14,2 мл, в эксперименте 3 - цел-люлаза в количестве 2 мл, в эксперименте 4 - р-глюкозидаза и целлюлаза в количестве 6,2 мл.

Изменение концентрации РВ в контрольных и экспериментальных процессах ферментативного гидролиза представлены на рис.1 - рис. 4.

Для определения конверсии РВ и скорости проведенных процессов определяли массу полисахаридов и массу РВ. При этом учитывали, что в состав соломы по литературным данным входят 27 -29% гемицеллюлоз и 35 - 40% целлюлозы, т.е. полисахариды составляют в соломе 62 - 69% [8].

Время, час

Рис. 1 - Изменение концентрации РВ в контрольных процессах ферментативного гидролиза бумаги

Рис. 2 - Изменение концентрации РВ в процессе ферментативного гидролиза соломы предварительно запаренной в автоклаве в нейтральной среде с использованием дополнительных ферментов

Для расчетов взяли среднее значение полисахаридов соломы - 65% или 0,65 массовой доли, а в целлюлозе (фильтровальной бумаге) - 100% или 1 массовая доля.

-М- полисахаридов соломы 0,65 * соломьъ г

-М- полисахаридов целлюлозы 1*^М^ бумаги г

^РВ = Кфильтрата Х ,Г

К _-------Мрв-------х 100%, %

М' полисахаридов.

^ _ Мрв , г РВ/л*час ДТ

Рис. 3 - Изменение концентрации РВ в процессе ферментативного гидролиза соломы предварительно запаренной в автоклаве в щелочной среде

Рис. 4 - Изменение концентрации РВ в процессе ферментативного гидролиза соломы предварительно запаренной в автоклаве в кислой среде

Расчетные данные по конверсии РВ и скорости проведенных процессов представлены в табл. 1.

Применение мультиферментного комплекса N850012 в процессе гидролиза соломы приводит к снижению показателей процесса (оптимальная температура с 54-55 до 47-49 °С, конверсии с 35 до 14%, скорости осахаривания с 4,4 до 0,97 г РВ / л*час).

Таблица 1 — Расчетные данные по конверсии РВ и скорости проведенных процессов

Процесс Ър, №р РВ max, % Конверсия, % К, гРВ/л*час

Контроль 40,67 5,23 0,808 31,5081 1,75

Контроль 54,27 5,79 0,904 35,2365 4,4

Эксперимент 1 48,73 5,40 0,234 14,0580 1,52

Эксперимент 2 47,2 5,21 0,526 31,5720 2,05

Эксперимент 3 48,98 5,26 0,249 14,9280 0,97

Эксперимент 4 47,85 5,16 0,511 30,6900 1,11

В ходе проведения процессов ферментолиза рассчитывали энергозатраты.

W=U•I•Дtmax,

где и - падение напряжения на якоре двигателя; I -ток в цепи якоря электродвигателя; Д^ж - время достижения максимальной концентрации РВ в фер-ментолизате, ч.

Удельные энергозатраты на единицу РВ определялись по формуле

Wуд=W/

где V - объем гидролизата (2 л); СРВ - концентрация редуцирующих веществ в ферментолизате.

Расчетные данные по удельным энергозатратам проведенных процессов представлены в табл. 2. Таблица 2 - Расчетные данные по удельным энергозатратам проведенных процессов

Процесс I, А U, В ^tmax, ч W, Вт ч W ”уд5 Вт-ч/гРВ

Контроль 1,8 9,0 26 411,8 25,48

Контроль 1,9 8,8 4 61,3 3,38

Эксперимент 1 1,5 7,3 3 32,3 6,91

Эксперимент 2 1,4 7,9 5 54,5 5,18

Эксперимент 3 1,7 7,3 4 48,2 9,68

Эксперимент 4 1,4 7,9 12 134,0 13,11

Как следует из таблиц 1, 2, показатели процесса ферментолиза характеризуются высокой чувствительностью к режимным параметрам (темпера-

тура, рН среды). В связи с этим возрастают требования к системе управления процессом. Предобработку сырья наиболее целесообразно осуществлять в нейтральной среде.

Изменение суммарного количества ферментов почти в 8 раз приводит к увеличению конверсии только в 2,2 раза.

Процессы ферментолиза гемицеллюлозы и кристаллической целлюлозы очевидно требуют различных режимов работы. Процесс ферментолиза сложных по составу субстратов будет оптимальным только в том случае, если режимные параметры будут меняться соответственно стадиям ферментолиза компонентов сырья.

Литература

1. А.С. Понкратов, Р.М.Нуртдинов, Вестник Каз. технол. ун-та, 22, 62-67,

2. Р.М. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, И.В. Шагивалеев, И.А. Якушев, Вестник Каз. технол. ун-та, 2, 143 - 147, (2011).

3. Р.М. Нуртдинов, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, С.Г. Мухачев, М.В. Харина, Вестник Каз. технол. ун-та, 14, 211 - 214, (2011).

4. А.С. Понкратов., Р.М. Нуртдинов, В.М. Емельянов, С.А. Понкратова, Материалы VI Московского международного конгресса, «Биотехнология: состояние и перспективы развития», часть 1, 365-366, (2011).

5. Варфоломеев, С. Д. Биокинетика. Практический курс / С.Д. Варфоломеев, К.Г. Гуревич. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 1999. - 720 с.

6. Новые ферменты «Нововзаймс» // Производство спирта и лекороводочных изделий, 1, 65-68, (2001).

7. Р.М. Нуртдинов, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, М.В. Харина, Вестник Каз. технол. ун-та, 9, 264 - 267, (2011).

8. С.Г. Мухачев, В.Н. Мельников, А.Р. Садыков, Б.Н. Иванов, Л.И. Корнилова, Вестник Каз. технол. ун-та, 2, 423-429, (2003).

© М. В. Харина - асп. каф. химической кибернетики КНИТУ, valrt2008@rambler.ru; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доц., зав. лаб. «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» КНИТУ; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КНИТУ.