СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА
METHOD FOR PRODUCING ALCOHOL

Изобретение относится к биохимической промышленности и может быть использовано при производстве этилового спирта технического назначения из лигноцеллюлозного сырья.
3
5
Известен способ получения этилового спирта из крахмалсодержащего сырья, предусматривающий измельчение крахмалосодержащего сырья, приготовление его водной суспензии, ее тепловую обработку, осахаривание. После чего полученное сусло охлаждают, сбраживают и перегоняют. Водную суспензию измельченного сырья подвергают диспергированию при 60-65°С в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и вращающимся ротором при значениях градиента скорости от 3,5×10 м/с·м до 4,5×10 м/с·м.
Последующую тепловую обработку полученной массы ведут при 80-90°С в течение 20-30 мин (RU 2138555, МПК С12Р 7/06, опубл. 27.09.1999).
Недостатками известного способа являются использование дорогого пищевого сырья и высокая ресурсоемкость.
Известен способ получения этилового спирта, согласно которому растительное сырье подвергают двухстадийному гидролизу с раздельным отбором гексозной и пентозной фракций, осуществляют подготовку сусла, гексозную часть направляют на сбраживание, пентозную ферментируют в присутствии штамма дрожжей, взятого из ряда Pachysolen tannophilus ВКПМ У-1532, Р.tannophilus ВКПМ У-1634, Candida tropicalis ВКПМ У-1633, Candida shenatal ВКПМ У-1633, Candida shehatal ВКПМ У-1632, при Т=30-32°С, рH=4,3-4,5, перемешиванию и аэрации, культуральную жидкость соединяют с бражкой, полученной из гексозной части, и направляют на перегонку и ректификацию (RU 2095415, С12Р 7/06, опубл. 10.11.1997).
К недостаткам известной технологии можно отнести большую материалоемкость, использование в технологии большого количества оборотной воды и получение сильно разбавленного сусла, низкую экологичность производства (работа с концентрированными минеральными кислотами), технологическую сложность производства, связанную с необходимостью разделения технологических потоков по основному сбраживаемому компоненту, и совмещенное использование сложнокультивируемых штаммов микроорганизмов.
Известен способ подготовки сахаров сырья к ферментации, проводится гидролиз трудногидролизуемого древесного сырья концентрированной серной кислотой при нагреве до 120-200°С в условиях повышенного давления до моносахаридов и фурфурола (RU 2041219, C07D 307/50, опубл. 09.08.1995).
Недостатками известного способа являются высокая ресурсо- и энергоемкость, выделение токсичных продуктов.
Известен способ с последовательным гидролизом разбавленными кислотами и щелочами и гидролизом глюкозы фтористым водородом с делигнизацией хлором или насыщенным кислородом (RU 2158763, С12Р 7/06, опубл. 10.11.2000).
Недостатки известного способа заключаются в образовании токсичных веществ и использовании большого количества минеральных компонентов, которые требуют отделения на абсорбционных смолах.
Известен способ подготовки растительного сырья путем ферментативного гидролиза высокоспецифичными ферментами (RU 2458128, МПК C12N 9/42, опубл. 10.08.2012).
Недостатком известного способа является удорожание производства из-за необходимости точного подбора соотношения моноферментов в зависимости от видов сырья (в частности - степени лигнифинированности сырья и природы полисахаридов).
Известен способ получения продукта, содержащего воспламеняющееся топливо, из сырья биомассы, включающий:
3
(a) предварительную обработку сырья биомассы, имеющего объемный вес менее примерно 0,5 г/см, с использованием одного или более методов предварительной обработки, выбранных из группы, состоящей из облучения, ультразвуковой обработки, пиролиза и окисления, и где предварительная обработка включает облучение электронным пучком, и
(b) превращение сырья биомассы, подвергнутой предварительной обработке, с использованием микроорганизма для получения продукта, содержащего воспламеняющееся топливо, спирта из низкомолекулярных сахаров, заключающийся в комплексной обработке лигноцеллюлозного сырья комплексом биологических и физических факторов, приводящей к его гидролизу (RU 2432400 С2, опубл. 27.10.2011).
К недостаткам технологии можно отнести большую материалоемкость, использование различных методов физической обработки в широких диапазонах интенсивностей без обоснования влияния, оказываемого на конкретный вид сырья, низкую экологичность производства (работа с концентрированными минеральными кислотами), технологическую сложность производства, связанную с использованием комплекса факторов и использование сложнокультивируемых штаммов микроорганизмов.
2
4
Технический результат заключается в снижении ресурсо- и материалоемкости технологии за счет отказа от обработки концентрированными минеральными кислотами, использования статичного соотношения между гидролизуемой древесиной и 0,5%-ным раствором HSO, а также энергетических затрат за счет более тонкого измельчения сырья, исключения стадии физико-химической делигнификации сырья, проведения ферментативного гидролиза при более низкой температуре. Кроме того, увеличивается выход спирта с единицы сырья за счет более полного использования полисахаридов растительного сырья.
2
4
2
4
10
12
Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения спирта, предусматривающем дробление сырья, получение замеса, внесение в него ферментов, осахаривание, сбраживание и выделение спирта из бражки брагоректификацией, измельчение лигноцеллюлозного сырья проводят в две стадии, на первой - до размеров частиц не более 20×20×5 мм, на второй - до размера частиц не более 50 мкм, смешивают измельченное лигноцеллюлозное сырье с 0,5%-ным раствором HSO, в соотношении 1:6,8÷1:7,2 с последующей обработкой полученного замеса ультразвуком мощностью излучателя от 1,2 до 1,7 кВт, частотой механического резонанса от 20 до 24 кГц, скоростью циркуляции до 10 л/мин в течение 5-10 минут. В полученном замесе рН доводят до 4,5-4,6, используя 1 н. HSO или 1 н. NaOH, добавляют мезофильные ферментные препараты, содержащие целлюлазу в количестве 1,8 ед., β-глюканазу 2,5 ед., ксиланазу 1,9 ед., целлобиазу 4 ед. на 1 г сырья, проводят термостатирование замеса при температуре 45-55°С в течение 60 мин при перемешивании и затем охлаждают до 30-32°С, вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae раса Angel или Ethanol Red в количестве 10-10 клеток на 1 мл сусла и проводят сбраживание при температуре 28-30°С в течение 60-66 часов.
Двухстадийность метода предварительного измельчения сырья позволяет снизить энергозатраты и сократить продолжительность второй стадии диспергирования. Такое тонкое измельчение позволяет исключить применение жестких методов предобработки, например, таких как гидролиз с использованием концентрированных кислот или щелочей.
Повышение мощности ультразвукового излучения свыше 1,7 кВт нецелесообразно, поскольку приведет к незначительному возрастанию эффективности последующего гидролиза. Частота механического резонанса оптимальна для сырья с указанной степенью помола.
В охлажденную массу вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae раса Angel или Ethanol Red. Возможно использование других рас дрожжей при условии потребления ими широкого спектра простых сахаров и устойчивости к смолам и лигнину.
Способ осуществляют следующим образом.
2
4
2
4
3
3
10
12
Пример 1. Берут лигноцеллюлозное сырье влажностью 10-12%. Измельчение на первой стадии производят до размеров частиц не более 20×20×5 мм. Вторая стадия - измельчение до размера частиц не более 50 мкм. Для получения замеса берут измельченное лигноцеллюлозное сырье, смешивают с 0,5%-ным раствором HSO в соотношении 1:6,8÷1:7,2 и механически перемешивают замес до однородной массы. В полученном замесе рН доводят до 4,5-4,6 (используется 1 н. НSO или 1 н. NaOH). Температура в смесителе не выше 50°С. При этой температуре добавляют мезо4)ильные ферментные препараты, содержащие целлюлазу в количестве 1,8 ед., β-глюканазу 2,5 ед., ксиланазу 1,9 ед., целлобиазу 4 ед. на 1 г сырья. Далее проводят термостатирование замеса при температуре 45-55°С и выдержке 60 мин при активном перемешивании. Окончательное высвобождение редуцирующих сахаров должно составлять не менее 2,5 г/100 см при высвобождении глюкозы не менее 1,7 г/10 см. Далее массу охлаждают естественным способом до 30-32°С, вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae расы Angel в количестве 10-10 дрожжевых клеток на 1 мл сусла и передают на брожение в чаны при температуре 28-30°С на 60-66 часов. Конечное содержание спирта в бражке достигает 1,5-1,6% (объемных) за счет высокой концентрации сбраживаемых сахаров в исходном сусле, а также снижения их потерь при кислотном гидролизе.
2
4
2
4
3
10
12
Пример 2. Берут лигноцеллюлозное сырье влажностью 10-12%. Измельчение на первой стадии производят до размеров частиц не более 20×20×5 мм. Вторая стадия - измельчение до размера частиц не более 50 мкм. Для получения замеса берут измельченное лигноцеллюлозное сырье, смешивают с 0,5%-ным раствором HSO в соотношении 1:6,8÷1:7,2 и механически перемешивают замес до однородной массы. Далее проводят поточную обработку ультразвуком 5-10 мин (мощность излучателя от 1,2 до 1,7 кВт, частота механического резонанса - от 20 до 24 кГц, скорость циркуляции до 10 л/мин) компонентов помола для ускорения получения однородного замеса, уменьшения уровня контаминации замеса и кавитационного воздействия на частицы помола. В полученном замесе рН доводят до 4,5-4,6 (используется 1н. HSO или 1н. NaOH). Температура в смесителе не выше 50°С. При этой температуре добавляют мезофильные ферментные препараты, содержащие целлюлазу в количестве 1,8 ед., β-глюканазу 2,5 ед., ксиланазу 1,9 ед., целлобиазу 4 ед. на 1 г сырья. Далее проводят термостатирование замеса при температуре 45-55°С и выдержке 60 мин при активном перемешивании. Окончательное высвобождение редуцирующих сахаров должно составлять не менее 2,5 г/100 см при высвобождении глюкозы не менее 1,7 г/10 см. Далее массу охлаждают естественным способом до 30-32°С, вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae расы Angel в количестве 10-10 дрожжевых клеток на 1 мл сусла и передают на брожение в чаны при температуре 28-30°С на 60-66 часов. Конечное содержание спирта в бражке достигает 1,5-1,8% (объемных) за счет высокой концентрации сбраживаемых сахаров в исходном сусле, а также снижения их потерь при кислотном гидролизе.
2
4
2
4
3
3
10
12
Пример 3. Берут лигноцеллюлозное сырье влажностью 10-12%. Измельчение на первой стадии производят до размеров частиц не более 20×20×5 мм. Вторая стадия - измельчение до размера частиц не более 50 мкм. Для получения замеса берут измельченное лигноцеллюлозное сырье, смешивают с 0,5%-ным раствором HSO в соотношении 1:6,8÷:1:7,2 и механически перемешивают замес до однородной массы. Далее проводят поточную обработку ультразвуком 5-10 мин (мощность излучателя от 1,2 до 1,7 кВт, частота механического резонанса от 20 до 24 кГц, скорость циркуляции до 10 л/мин) компонентов помола для ускорения получения однородного замеса, уменьшения уровня контаминации замеса и кавитационного воздействия на частицы помола. В полученном замесе рН доводят до 4,5-4,6 (используется 1 н HSO или 1 н NaOH). Температура в смесителе не выше 50°С. При этой температуре добавляют мезофильные ферментные препараты, содержащие целлюлазу в количестве 1,8 ед., β-глюканазу 2,5 ед., ксиланазу 1,9 ед., целлобиазу 4 ед. на 1 г сырья. Далее проводят термостатирование замеса при температуре 45-55°С и выдержке 60 мин при активном перемешивании. Окончательное высвобождение редуцирующих сахаров должно составлять не менее 2,5 г/100 см при высвобождении глюкозы не менее 1,7 г/10 см. Далее массу охлаждают естественным способом до 30-32°С, вносят активированные дрожжи Sacch. cerevisiae расы Ethanol Red в количестве 10-10 дрожжевых клеток на 1 мл сусла и передают на брожение в чаны при температуре 28-30°С на 60-66 часов. Конечное содержание спирта в бражке достигает 1,8-1,95% (объемных) за счет высокой концентрации сбраживаемых сахаров в исходном сусле, а также снижения их потерь при кислотном гидролизе.
2
4
В табл. 1 приведена сравнительная характеристика процессов при классическом (прототипе) и предлагаемых способов. При этом из таблицы видно, что пример 3 является предпочтительным, так как по сравнению с известным решением предлагаемый способ позволяет снизить ресурсо- и материалоемкость технологии за счет отказа от обработки концентрированными минеральными кислотами, использования статичного соотношения между гидролизуемой древесиной и 0,5%-ным раствором HSO, а также энергетических затрат за счет более тонкого измельчения сырья, исключения стадии физико-химической делигнификации сырья, проведения ферментативного гидролиза при более низкой температуре. Кроме того, увеличивается выход спирта с единицы сырья за счет высокой концентрации сбраживаемых сахаров в исходном сусле, а также снижения их потерь при кислотном гидролизе при более полном использовании полисахаридов растительного сырья.