СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА ИЗ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО СЫРЬЯ
METHOD OF PRODUCING BIOETHANOL FROM LIGNOCELLULOSE MATERIAL

Изобретение относится к способам получения биоэтанола из растительного сырья.
Возрастающая мировая потребность в энергии, неустойчивые и дорогие нефтяные ресурсы, а также вопросы по изменениям глобального климата побудили к разработке возобновляемых источников энергии, которые могут дополнить ископаемые запасы топлива. В связи с этим лигноцеллюлозная биомасса обладает высоким потенциалом для производства биотоплив (например, биоэтанола) и других ценных веществ, основанного на концепции биопереработки.
Промышленным источником получения современного биоэтанола служит биомасса различного происхождения. Традиционным сырьем для получения биоэтанола являются сахаросодержащее сырье (сахарный тростник, сахарная свекла), а также крахмалосодержащее сырье (картофель и зерновые культуры). Однако эти виды сырья являются пищевыми, их использование не только дорого, но и может ухудшать продовольственную безопасность. Биоэтанол второго поколения производят из непищевого сырья: древесины, морских водорослей, целлюлозосодержащего недревесного сырья, такого как отходы сельского хозяйства и биомасса энергетических растений.
Известно, что нативное целлюлозосодержащее сырье достаточно прочное, поскольку матрица растения состоит из нескольких полимеров: целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, которые в совокупности образуют композиционный материал, более устойчивый к действию физических и химических факторов, чем отдельные компоненты. Для того чтобы расщепить индивидуальные полимеры, необходимо разрушить композитную матрицу, для чего нативное сырье необходимо подвергнуть химической или физико-химической обработке. После разрушения композитной матрицы необходимо провести деструкцию полимеров до мономеров: целлюлозы до глюкозы, гемицеллюлозы до мономерных пентоз и гексоз. Эту деструкцию можно проводить химическим или ферментативным гидролизом.
Ферментативный гидролиз лигноцеллюлозы проводится в мягких условиях, что в отличие от химического гидролиза исключает образование токсичных полупродуктов, а также гарантирует высокий выход сбраживаемых сахаров.
Полученный раствор мономеров подвергают спиртовому брожению и с помощью встроенных ферментных систем микроорганизмов (дрожжей или бактерий) превращают в бражку - суспензию, состоящую из воды, биоэтанола, побочных и вторичных веществ, образующихся при брожении, твердых частиц непрореагировавшего лигноцеллюлозного субстрата и клеток микроорганизмов. Биоэтанол выделяют из бражки мембранными методами или путем ректификации.
Изучение уровня техники выявило сходные по своей сути известные технические решения, например способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного материала по патенту США №7189306, который включает предварительную обработку, ферментативный гидролиз, спиртовое брожение ферментативных гидролизатов и выделение биоэтанола из бражки.
К недостаткам описанного способа следует отнести сложность подготовки лигноцеллюлозного сырья для производства биоэтанола, а именно необходимость применения энергоемкого парового взрыва для создания высокого давления и использования в процессе дорогостоящего оборудования - ректификационной колонны специальной конструкции.
Наиболее близким и потому принятым за прототип является способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья по заявке WO №2006056838, включающий предварительную обработку сырья, ферментативный гидролиз, спиртовое брожение ферментативных гидролизатов, выделение биоэтанола из бражки.
К недостаткам описанного способа следует отнести необходимость использования специального механического оборудования при предварительной обработке сырья для проведения ферментативного гидролиза. В результате механической обработки происходит разрушение матрицы сырья под воздействием силы тяжести, в том числе усилий сдвига и разрыва, возникающих между материалом и барабаном, а также сил, создаваемых при столкновении падающего материала и днища барабана.
Задачей предлагаемого технического решения является создание эффективного способа получения биоэтанола из лигноцеллюлозного быстровозобновляемого сырья, позволяющего осуществить промышленное масштабирование процесса с использованием стандартного оборудования.
Поставленная задача решается предлагаемым способом получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья, который включает предварительную обработку сырья при давлении, ферментативный гидролиз, спиртовое брожение, выделение биоэтанола из бражки, при этом предварительная обработка сырья с влажностью 12-60% осуществляется при атмосферном давлении разбавленным раствором кислоты 4-10% при температуре 94-96°С с последующей обработкой раствором гидроксида натрия с концентрацией 3-6% при температуре 94-96°С, при этом стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения совмещены, ферментативный гидролиз осуществляется при рН 4,0-6,5 при температуре 30-65°С, а в качестве сырья используется быстровобновляемое лигноцеллюлозное сырье: солома, плодовые оболочки злаковых и масличных культур, мискантус, жом и жмых сельскохозяйственных культур.
Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа тем, что предварительная обработка сырья с влажностью 12-60% осуществляется при атмосферном давлении разбавленным раствором кислоты 4-10% при температуре 94-96°С с последующей обработкой раствором гидроксида натрия с концентрацией 3-6% при температуре 94-96°С, при этом стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения совмещены, ферментативный гидролиз осуществляется при рН, равном 4,0-6,5, при температуре 30-65°С, а в качестве сырья используется быстровозобновляемое лигноцеллюлозное сырье: солома, плодовые оболочки злаковых и масличных культур, мискантус, жом и жмых сельскохозяйственных культур.
Целью предварительной обработки является изменение физических особенностей и химического состава/структуры гидролизуемой части сырья, что делает целлюлозу более доступной для ферментативного гидролиза и превращения ее в раствор сахаров. В предлагаемом техническом решении химическая обработка проводится при атмосферном давлении, что позволяет использовать при масштабировании процесса простое стандартное емкостное оборудование, а также создать более безопасные условия труда, чем в случае использования режимов обработки сырья под давлением.
Для видов сырья с влажностью от 12 до 60% (мискантус, жом и жмых сельскохозяйственных культур и др.) предлагается использовать предварительную обработку в следующей последовательности: обработка раствором кислоты с концентрацией 4-10% при атмосферном давлении и температуре 94-96°С, промывка до нейтральной реакции, обработка раствором щелочи с концентрацией 3-6% при атмосферном давлении и температуре 94-96°С. Основной функцией действия кислоты является гидролиз гемицеллюлоз и разрушение структуры лигнина таким образом, чтобы у предобработанного сырья повысилась доступность целлюлозной фракции для ферментов, это эффективно для влажного сырья.
Цель ферментативного гидролиза - деструкция полимеров до мономеров. Целлюлоза расщепляется до глюкозы, гемицеллюлозы до мономерных пентоз и гексоз. Для ферментативного гидролиза используются доступные коммерческие ферментные препараты, обладающие целлюлазной и ксиланазной активностью. Ферментативный гидролиз проводится в мягких условиях: активная кислотность от 3 до 7 ед. рН, температурный диапазон от 30 до 65°С, что исключает образование токсичных полупродуктов, а также гарантирует высокий выход сбраживаемых сахаров. В указанном диапазоне активной кислотности достигаются наибольшие выходы редуцирующих веществ, при отклонении в большую или меньшую сторону от указанного диапазона выход редуцирующих веществ значительно снижается (на 30% и более), что связано с конформационными изменениями молекул ферментов и снижением ферментативной активности. В диапазоне температур от 30 до 65°С зафиксированы максимальные выходы редуцирующих веществ. Снижение температуры гидролиза ниже 30°С приводит к потере выхода сахаров на 10%, что можно объяснить уменьшением скорости химической реакции при понижении температуры согласно правилу Вант-Гоффа. Повышение температуры выше 65°С критично по причине температурной денатурации фермента, объясняемой потерей четвертичной или третичной структуры белка при нагревании, и приводит к снижению выхода редуцирующих веществ на 50%.
Целью стадии спиртового брожения является превращение редуцирующих веществ среды в биоэтанол с помощью ферментных систем микроорганизмов различных родов и видов. В предлагаемом техническом решении спиртовое брожение проводится с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Проведение одновременного процесса ферментативного гидролиза и спиртового брожения позволяет сократить продолжительность стадий в 1,5 раза и исключить фильтрацию промежуточного продукта - ферментативного гидролизата. Это позволит уменьшить затраты при получении биоэтанола и упростить технологический процесс, что важно для его успешного масштабирования.
В качестве бысторовозобновляемого лигноцеллюлозного сырья в предлагаемом способе используется, например, мискантус, который является технической культурой, отводить под который плантации плодородных пахотных земель нет необходимости. После 15 лет вегетация плантации прекращается и закладывается новая. Расчет сделан исходя из минимальной продуктивности мискантуса в условиях Западной Сибири (10 т/га/год). Таким образом, за 15 лет продуктивность плантации мискантуса составит 185 т с гектара, накопление же биомассы лиственных пород за этот же период составляет 54-68 т с га. Результаты определения химического состава подтверждают содержание лигнина 20%, гемицеллюлозы 20%.
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, плодовые оболочки злаковых и масличных культур, жом и жмых сельскохозяйственных культур). Годовой сбор соломы, например, может составлять 3-5 т/га на очень больших площадях под зерновыми культурами. Таким образом, относительная легкость химической переработки и исключительно низкая стоимость сырья позволили включить отходы сельхозпроизводства в современный перечень перспективного лигноцеллюлозного сырья.
Методом газожидкостной хроматографии установлено, что ферментативный способ гидролиза целлюлозы лигноцеллюлозного сырья позволяет получать биоэтанол с низким содержанием эфиров и сивушных масел. Метанол в биоэтаноле отсутствует.
В предлагаемом техническом решении стадию выделения биоэтанола можно проводить любым известным способом с применением стандартного оборудования.
Для пояснения описанного технического решения ниже приведены примеры заявляемого способа.
Пример 1. Мискантус с влажностью 40% подвергают химической обработке 10% раствором азотной кислоты при 95°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции, затем подвергают обработке 6% раствором гидроксида натрия при 96°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции.
Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде. Температура гидролиза 55°С, активная кислотность устанавливается на уровне 4,0 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 80 г/л. Ферменты вносят следующим образом: «Целлолюкс-А» в расчете 0,04 г фермента на 1 г субстрата и «Брюзайм BGX» в расчете 0,2 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 20 ч. Затем вносят засевные дрожжи (в количестве 10%) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т мискантуса составляет 16,5 дал.
Пример 2. Свекловичный жом с влажностью 60% подвергают химической обработке 10% раствором надуксусной кислоты при 94°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции, затем подвергают обработке 6% раствором гидроксида натрия при 96°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции.
Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде. Температура гидролиза 65°С, активная кислотность устанавливается на уровне 5,60 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 65 г/л. Ферменты вносят следующим образом: «Целлолюкс-А» в расчете 0,04 г фермента на 1 г субстрата и «Брюзайм BGX» в расчете 0,2 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 24 ч. Далее вносят засевные дрожжи (в количестве 10%) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т свекловичного жома составляет 9,4 дал.
Пример 3. Жмых подсолнечника с влажностью 38% подвергают химической обработке 10% раствором надуксусной кислоты при 96°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции, затем подвергают обработке 6% раствором гидроксида натрия при 95°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции.
Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде. Температура гидролиза 55°С, активная кислотность устанавливается на уровне 6,40 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 50 г/л. Ферменты вносят следующим образом: «Целлолюкс-А» в расчете 0,04 г фермента на 1 г субстрата и «Брюзайм BGX» в расчете 0,2 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 18 ч. Далее вносят засевные дрожжи (в количестве 10%) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т жмыха подсолнечника составляет 8,5 дал.
Пример 4. Плодовые оболочки овса с влажностью 12% подвергают химической обработке 4% раствором серной кислоты при 95°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции, затем подвергают обработке 3% раствором гидроксида натрия при 94°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции.
Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде, температура гидролиза 30°С, активная кислотность устанавливается на уровне 6,50 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 55 г/л. Ферменты вносят следующим образом: «Целлолюкс-А» в расчете 0,04 г фермента на 1 г субстрата и «Брюзайм BGX» в расчете 0,2 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 20 ч. Затем вносят засевные дрожжи (в количестве 10%) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т плодовых оболочек овса составляет 20,5 дал.
Пример 5. Солому пшеницы с влажностью 14% подвергают химической обработке 7% раствором соляной кислоты при 94°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции, затем подвергают обработке 3% раствором гидроксида натрия при 96°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции.
Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде, температура гидролиза 50°С, активная кислотность устанавливается на уровне 5,60 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 60 г/л. Ферменты вносят следующим образом: «Целлолюкс-А» в расчете 0,04 г фермента на 1 г субстрата и «Брюзайм BGX» в расчете 0,2 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 22 ч. Затем вносят засевные дрожжи (в количестве 10%) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т соломы пшеницы составляет 11,9 дал.
Пример 6. Солому льна-межеумка с влажностью 15% подвергают химической обработке 5% раствором фосфорной кислоты при 96°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции, затем подвергают обработке 4% раствором гидроксида натрия при 94°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции.
Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде, температура гидролиза 40°С, активная кислотность устанавливают на уровне 4,30 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 75 г/л. Ферменты вносят следующим образом: «Целлолюкс-А» в расчете 0,04 г фермента на 1 г субстрата и «Брюзайм BGX» в расчете 0,2 г фермента на 1 г
субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 24 ч. Затем вносят засевные дрожжи (в количестве 10%) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т соломы льна-межеумка составляет 13,1 дал.
Пример 7. Лузгу подсолнечника с влажностью 18% подвергают химической обработке 6% раствором уксусной кислоты при 95°С в течение 5 ч промывают до нейтральной реакции, затем подвергают обработке 4% раствором гидроксида натрия при 94°С в течение 5 ч, промывают до нейтральной реакции.
Ферментативный гидролиз проводят в ферментере в водной среде, температура гидролиза 50°С, активная кислотность устанавливается на уровне 5,30 ед. рН. Концентрация субстрата составляет 65 г/л. Ферменты вносят следующим образом: «Целлолюкс-А» в расчете 0,04 г фермента на 1 г субстрата и «Брюзайм BGX» в расчете 0,2 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность ферментативного гидролиза 24 ч. Затем вносят засевные дрожжи (в количестве 10%) и в течение трех последующих суток проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Биоэтанол выделяют и очищают методом ректификации. Выход биоэтанола из 1 т лузги подсолнечника составляет 11,2 дал. Предлагаемый способ эффективен и технологически целесообразен, реализуется на стандартном оборудовании и позволяет получить биоэтанол из лигноцеллюлозного 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.