Способ получения биоэтанола из тростника обыкновенного
METHOD FOR PRODUCING BIOETHANOL FROM COMMON REED

Изобретение относится к области биотехнологии в энергетике и может быть применено для получения биоэтанола из растительного сырья, а именно, из тростника обыкновенного.
2
2
Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ №2421521 «Способ получения этанола из морских водорослей». Сущностью является способ получения этанола из морских водорослей, включающий формирование биомассы из высушенных морских водорослей, инициирование распада биомассы, введение в распадающуюся биомассу дрожжей, способных вызвать в ней брожение для образования бродящего раствора, отделение получившегося этанола от бродящего раствора, отличающийся тем, что формирование биомассы высушенных водорослей проводят путем их измельчения механическим способом и последующего замачивания в воде в соотношении 1:5, распад полученной биомассы осуществляют последовательно сначала с помощью химического, затем ферментативного гидролизов с последующей стерилизацией распадающейся биомассы, причем реакцию химического гидролиза проводят с помощью пергидроля (НО), а реакцию ферментативного гидролиза проводят с помощью комплексов ферментов целлюлаз, гемицеллюлаз, пектиназ и десульфитаз, для брожения используют дрожжи Schizosaccharomyces pompe, или Candida utilis, или Saccharomyces cerevisiae.
Недостатком известного технического решения является ограниченная сырьевая база, для успешной и рентабельной работы производственные мощности целесообразно располагать только вблизи водоемов.
Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ №2284355 «Способ получения этанола». Сущностью является способ получения этанола из растительного сырья, предусматривающий гидролиз последнего серной кислотой, нейтрализацию гидролизата аммиачной водой, аэробно-спиртовое брожение, ректификацию спиртовой бражки, утилизацию отходов, отличающийся тем, что сульфат аммония, образующийся при нейтрализации гидролизата, со сточными водами производства направляют на очистную станцию "Симбиотенк" для полной утилизации и получения активного ила и технически чистой воды, активный ил добавляют к серной кислоте при проведении гидролиза и вносят в барду для производства дрожжей, при этом сточные воды производства включают конденсаты эфирно-альдегидной фракции и сивушной фракции.
Недостатком известного технического решения является деградация сахаров в реакции гидролиза и образование нежелательных побочных продуктов, это не только снижает выход сахаров, но и некоторые из побочных продуктов также сильно ингибируют образование этанола в ходе спиртового брожения, концентрация этанола в бражке очень низка.
Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ №2581799 «Способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья». Сущностью является способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья, включающий предварительную обработку сырья при давлении, ферментативный гидролиз, спиртовое брожение, выделение биоэтанола из бражки, отличающийся тем, что предварительную обработку сырья с влажностью 12-60% осуществляют при атмосферном давлении разбавленной кислотой с концентрацией 4-10% при температуре 94-96°С с последующей обработкой раствором гидроксида натрия с концентрацией 3-6% при температуре 94-96°С, стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения совмещены, при этом ферментативный гидролиз осуществляют при рН, равном 4,0-6,5, при температуре 30-65°С, а в качестве сырья используют быстровозобновляемое лигноцеллюлозное сырье: солома, плодовые оболочки злаковых и масличных культур, мискантус, жом и жмых сельскохозяйственных культур.
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.
Техническим результатом заявленного технического решения
является расширение арсенала способов указанного назначения путем разработки более рентабельного способа получения биоэтанола из быстровозобновляемого целлюлозосодержащего сырья с повышенным выходом продукта и минимизацией затрат на стадиях ферментации и ректификации биоэтанола.
Сущностью заявленного технического решения является
способ получения биоэтанола из тростника обыкновенного, заключающийся в том, что вначале проводят предварительную обработку сырья, для чего на 1 кгтростника обыкновенного с естественной влажностью 5% берут 3 л раствора гидроксида натрия с концентрацией 2 - 8% и перемешивают при атмосферном давлении и температуре 60-100°С в течение 5 часов до достижения рН = 10, после чего промывают проточной водой до достижения нейтрального значения рН; далее полученную биомассу подвергают автоклавированию при 130-140°C в течение 20-30 минут, затем охлаждают до комнатной температуры; далее проводят ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлозы, содержащейся в биомассе, для чего в биомассу добавляюткомбинированную композицию на основе ферментных препаратов, а именно - целлобиозы в расчете 20 г фермента на 1 кг биомассы и целлюлазы в расчете 20 г фермента на 1 кг биомассы, перемешивают смесь в течение 2 часов при комнатной температуре; далее добавляют в смесь дрожжевой экстракт «S. Cerevisiae Y-1693» , в количестве 10% масс. от биомассы и стимуляторы биосинтеза этанола - сульфат магния и хлорид кальция, в соотношении 5 г на 1 кг биомассы каждого стимулятора, перемешивают смесь со скоростью 8-10 об/мин в течение 4 дней при 28-40°C, при этом происходит осахаривание биомассы и реакция спиртового брожения с выделением биоэтанола; затем реакцию останавливают, для чего помещают полученную сброженную смесь в кипящую водяную баню на 5 минут; далее полученный продукт пропускают через теплообменник для охлаждения, отфильтровывают и перемещают в дистиллятор, где проводят выделение биоэтанола.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 и Фиг.2.
На Фиг.1 представлена схема получения биоэтанола из тростника обыкновенного, где:
1 - аппарат с перемешивающим устройством;
2 - автоклав;
3 - реактор с перемешивающим устройством;
4 - холодильник;
5 - дистиллятор.
На Фиг.2 представлена Таблица 1, в которой приведены значения выделения биоэтанола с предварительной обработкой тростника обыкновенного с различной концентрацией гидроксида натрия.
Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.
Далее заявителем приведена характеристика исходных материалов.
1. Дрожжевой экстракт «S. Cerevisiae Y-1693» - (лат. Saccharomyces cerevisiae) - вид одноклеточных микроскопических (5-10 мкм в диаметре) грибков (дрожжей) из класса сахаромицетов, широко используемый в производстве алкогольной и хлебопекарной продукции, а также в научных исследованиях. В 1996 году пекарские дрожжи стали первыми эукариотами, чей геном был полностью секвенирован.
2. Тростник обыкновенный - (лат. Phragmítes austrális) - высокий (до 4 м) многолетний злак рода Тростников, один из самых широко распространенных видов цветковых растений. В России и сопредельных странах встречается повсеместно (кроме Крайнего Севера). Влаголюбивое растение. Широко распространено на почвах с близким стоянием грунтовых вод 2,0-2,5 м). В молодом растении (до колошения) содержатся экстрактивные вещества, витамин C, клетчатка, целлюлоза, белок, жир, каротин. Листья содержат витамины, каротин, фитонциды. В корневищах содержится до 50% крахмала, 5% белка, 32% клетчатки. Иногда их употребляют как заменитель кофе и делают из них муку, однако она вредна из-за большого содержания клетчатки.
3. Целлобиоза Новозим 188 - 4-(β-глюкозидо)-глюкоза, дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы, соединенных β-глюкозидной связью; основная структурная единица целлюлозы. Белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде и в 45-48° спирте.
4. Целлюлаза ЦеллоЛюкс-F - комплексный ферментный препарат нового поколения, сбалансированный по ксиланазной, β-глюканазной и целлюлазной активностям. Комплекс ферментов, обеспечивает ступенчатое расщепление целлюлозы, ксиланов, β-глюканов растительной клетки.
Заявленный способ получения биоэтанола из тростника обыкновенного состоит из трех основных стадий:
1. Предварительная физико-химическая обработка сырья.
2. Ферментативный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлозы, полученного субстрата и сбраживание этанолсинтезирующими микроорганизмами моносахаридов ферментативного гидролизата.
3. Выделение биоэтанола.
Далее приведено более подробное описание заявленного способа получения биоэтанола из тростника обыкновенного (Фиг.1):
1. Проводят предварительную обработку сырья, для чего в аппарат с перемешивающим устройством и нагревательным элементом 1 помещают сырье - тростник обыкновенный с естественной влажностью 5%, например, весом 1 кг, добавляют 3 литра раствора гидроксида натрия с концентрацией 2 - 8% и перемешивают при атмосферном давлении и температуре, например, 60-100°С в течение 5 часов до достижения рН = 10, после чего промывают проточной водой до достижения нейтрального значения рН.
2. Далее полученную на 1 стадии биомассу помещают в автоклав 2 и подвергают автоклавированию при 130-140°C в течение 20-30 минут с целью расщепления лигнина, из которого состоит тростник обыкновенный, на более простые компоненты, как целлюлоза, гемицеллюлоза и так далее. Затем биомассу охлаждают до комнатной температуры.
Далее биомассу помещают в реактор 3 для проведения ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, содержащейся в биомассе. Для этого в биомассу добавляют комбинированную композицию на основе ферментных препаратов: целлобиозу, например, известный Новозим 188, в расчете 20 г фермента на 1 кг биомассы и целлюлазу, например, известный ЦеллоЛюкс-F, в расчете 40 г фермента на 1 кг биомассы, после этого перемешивают смесь в течение 2 часов при комнатной температуре.
Далее для сбраживания моносахаридов добавляют в смесь дрожжевой экстракт «S. Cerevisiae Y-1693», в количестве 10 масс.% от биомассы и стимуляторы биосинтеза этанола - сульфат магния и хлорид кальция, в соотношении 5 г на 1 кг биомассы каждого стимулятора, перемешивают смесь со скоростью 8-10 об/мин в течение 4 дней при 28-40°C, при этом происходит осахаривание биомассы и реакция спиртового брожения с выделением биоэтанола.
Затем реакцию останавливают, для чего помещают полученную сброженную смесь в емкость, которую помещают в водяную баню на 5 минут.
3. Далее полученный продукт пропускают через теплообменник 4 для охлаждения, отфильтровывают, например, через фильтровальную сетку, далее помещают в дистиллятор 5, где проводят выделение биоэтанола.
Затем измеряют концентрацию полученного биоэтанола.
Выход биоэтанола с 1 т сырья составляет 12-17 дал (дал - декалитров).
Для экспериментальной проверки заявленного способа получения биоэтанола были проведены 4 варианта испытаний с различным содержанием компонентов и их концентраций в заявленных интервалах при различных условиях протекания реакции, для выбора наиболее эффективного режима получения биоэтанола.
Пример 1. Получение биоэтанола с предварительной обработкой тростника обыкновенного 2% раствором гидроксида натрия.
Тростник обыкновенный с естественной влажностью 5% и весом, например, 1 кг подвергают обработке в аппарате с перемешивающим устройством с нагревательным элементом при атмосферном давлении и при температуре 60°С с добавлением, например, 3 л 2% раствора гидроксида натрия в течение 5 часов, по истечению времени получают биомассу с рН 10, после промывают проточной водой до достижения нейтрального значения рН.
Предварительно обработанную биомассу с нейтральным значением рН подвергают автоклавированию при 130°C в течение 20 минут. Затем биомассу охлаждают до комнатной температуры. Далее биомассу помещают в реактор с перемешивающим устройством для проведения ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, содержащейся в биомассе с добавлением комбинированной композиции на основе ферментных препаратов, для чего берут целлобиозу, например, известный Новозим 188, в расчете 20 г фермента на 1 кг биомассы и целлюлазу, например, известный ЦеллоЛюкс-F, в расчете 40 г фермента на 1 кг биомассы, после этого перемешивают смесь в течение 2 часов при комнатной температуре.
Далее для осахаривания и дальнейшего сбраживания моносахаридов добавляют в биомассу дрожжевой экстракт «S. Cerevisiae Y-1693», в количестве 10% масс. от биомассы и стимуляторы биосинтеза этанола - сульфат магния и хлорид кальция, в соотношении 5 г на 1 кг биомассы каждого стимулятора, перемешивают смесь со скоростью 8 об/мин в течение 4 дней при 28°C, при этом происходит реакция спиртового брожения.
Затем реакцию останавливают, для чего помещают полученную сброженную смесь в емкость, которую помещают в водяную баню на 5 минут.
Далее полученный продукт пропускают через теплообменник для охлаждения, отфильтровывают, например, через фильтровальную сетку, далее помещают в дистиллятор, где проводят выделение биоэтанола. а затем измеряют концентрацию полученного биоэтанола.
Выход биоэтанола из 1 т тростника обыкновенного составляет 12 дал.
Пример 2. Получение биоэтанола с предварительной обработкой тростника обыкновенного 4% раствором гидроксида натрия.
Тростник обыкновенный с естественной влажностью 5% и весом, например, 1 кг подвергают обработке в аппарате с перемешивающим устройством с нагревательным элементом при атмосферном давлении и при температуре 100°С с добавлением, например, 3 л 4% раствора гидроксида натрия в течение 5 часов, по истечению времени получают биомассу с рН 10, после промывают проточной водой до достижения нейтрального значения рН.
Предварительно обработанную биомассу с нейтральным значением рН подвергают автоклавированию при 140°C в течение 30 минут. Затем биомассу охлаждают до комнатной температуры. Далее биомассу помещают в реактор с перемешивающим устройством для проведения ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, содержащейся в биомассе с добавлением комбинированной композиции на основе ферментных препаратов, для чего берут целлобиозу, например, известный Новозим 188, в расчете 20 г фермента на 1 кг биомассы и целлюлазу, например, известный ЦеллоЛюкс-F, в расчете 40 г фермента на 1 кг биомассы, после этого перемешивают смесь в течение 2 часов при комнатной температуре.
Далее для осахаривания и дальнейшего сбраживания моносахаридов добавляют в биомассу дрожжевой экстракт «S. Cerevisiae Y-1693», в количестве 10% масс. от биомассы и стимуляторы биосинтеза этанола - сульфат магния и хлорид кальция, в соотношении 5 г на 1 кг биомассы каждого стимулятора, перемешивают смесь со скоростью 10 об/мин в течение 4 дней при 32°C, при этом происходит реакция спиртового брожения.
Затем реакцию останавливают, для чего помещают полученную сброженную смесь в емкость, которую помещают в кипящую воду на 5 минут (водяная баня).
Далее полученный продукт пропускают через теплообменник для охлаждения, отфильтровывают, например, через фильтровальную сетку, далее помещают в дистиллятор, где проводят выделение биоэтанола. а затем измеряют концентрацию полученного биоэтанола.
Выход биоэтанола из 1 т тростника обыкновенного составляет 14 дал.
Пример 3. Получение биоэтанола с предварительной обработкой тростника обыкновенного 6% раствором гидроксида натрия.
Тростник обыкновенный с естественной влажностью 5% и весом, например, 1 кг подвергают обработке в аппарате с перемешивающим устройством с нагревательным элементом при атмосферном давлении и при температуре 80°С с добавлением, например, 3 л 6% раствора гидроксида натрия в течение 5 часов, по истечению времени получают биомассу с рН 10, после промывают проточной водой до достижения нейтрального значения рН.
Предварительно обработанную биомассу с нейтральным значением рН подвергают автоклавированию при 135°C в течение 25 минут. Затем биомассу охлаждают до комнатной температуры. Далее биомассу помещают в реактор с перемешивающим устройством для проведения ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, содержащейся в биомассе с добавлением комбинированной композиции на основе ферментных препаратов, для чего берут целлобиозу, например, известный Новозим 188, в расчете 20 г фермента на 1 кг биомассы и целлюлазу, например, известный ЦеллоЛюкс-F, в расчете 40 г фермента на 1 кг биомассы, после этого перемешивают смесь в течение 2 часов при комнатной температуре.
Далее для осахаривания и дальнейшего сбраживания моносахаридов добавляют в биомассу дрожжевой экстракт «S. Cerevisiae Y-1693», в количестве 10% масс. от биомассы и стимуляторы биосинтеза этанола - сульфат магния и хлорид кальция, в соотношении 5 г на 1 кг биомассы каждого стимулятора, перемешивают смесь со скоростью 9 об/мин в течение 4 дней при 36°C, при этом происходит реакция спиртового брожения.
Затем реакцию останавливают, для чего помещают полученную сброженную смесь в емкость, которую помещают в кипящую воду на 5 минут (водяная баня).
Далее полученный продукт пропускают через теплообменник для охлаждения, отфильтровывают, например, через фильтровальную сетку, далее помещают в дистиллятор, где проводят выделение биоэтанола. а затем измеряют концентрацию полученного биоэтанола.
Выход биоэтанола из 1 т тростника обыкновенного составляет 17 дал.
Пример 4. Получение биоэтанола с предварительной обработкой тростника обыкновенного 8% раствором гидроксида натрия.
Тростник обыкновенный с естественной влажностью 5% и весом, например, 1 кг подвергают обработке в аппарате с перемешивающим устройством с нагревательным элементом при атмосферном давлении и при температуре 85°С с добавлением, например, 3 л 8% раствора гидроксида натрия в течение 5 часов, по истечению времени получают биомассу с рН 10, после промывают проточной водой до достижения нейтрального значения рН.
Предварительно обработанную биомассу с нейтральным значением рН подвергают автоклавированию при 140°C в течение 30 минут. Затем биомассу охлаждают до комнатной температуры. Далее биомассу помещают в реактор с перемешивающим устройством для проведения ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, содержащейся в биомассе с добавлением комбинированной композиции на основе ферментных препаратов, для чего берут целлобиозу, например, известный Новозим 188, в расчете 20 г фермента на 1 кг биомассы и целлюлазу, например, известный ЦеллоЛюкс-F, в расчете 40 г фермента на 1 кг биомассы, после этого перемешивают смесь в течение 2 часов при комнатной температуре.
Далее для осахаривания и дальнейшего сбраживания моносахаридов добавляют в биомассу дрожжевой экстракт «S. Cerevisiae Y-1693», в количестве 10% масс. от биомассы и стимуляторы биосинтеза этанола - сульфат магния и хлорид кальция, в соотношении 5 г на 1 кг биомассы каждого стимулятора, перемешивают смесь со скоростью 8 об/мин в течение 4 дней при 40°C, при этом происходит реакция спиртового брожения.
Затем реакцию останавливают, для чего помещают полученную сброженную смесь в емкость, которую помещают в кипящую воду на 5 минут (водяная баня).
Далее полученный продукт пропускают через теплообменник для охлаждения, отфильтровывают, например, через фильтровальную сетку, далее помещают в дистиллятор, где проводят выделение биоэтанола. а затем измеряют концентрацию полученного биоэтанола.
Выход биоэтанола из 1 т тростника обыкновенного составляет 16 дал.
Основываясь на приведенных выше экспериментальных данных, можно сделать заключение о том, что заявленное техническое решение обеспечивает повышение выхода продукта и минимизацию затрат на стадиях дистилляции и ректификации биоэтанола, за счет совмещения ферментативного гидролиза и спиртового брожения.
Полученные показатели характеризуют повышение выхода биоэтанола из 1 т растительного сырья по сравнению с аналогом. Таким образом, преимуществами заявленного технического решения являются:
• Увеличение выхода биоэтанола из 1 т тростника обыкновенного до 17 дал.
• Упрощение конструктивного решения заявленного способа получения биоэтанола, за счет того, что совмещены стадии ферментативного гидролиза, осахаривания и спиртового брожения.
Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно - разработан более рентабельный способ получения биоэтанола из быстровозобновляемого целлюлозосодержащего сырья с повышенным выходом продукта и минимизацией затрат на стадиях дистилляции и ректификации биоэтанола.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не выявлено техническое решение, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как может быть изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.