ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ:
КОМПЛЕКСНАЯ МАЛООТХОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БИОКОНВЕРСИИ
ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ ЛЕСОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ
И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Биоконверсия возобновляемого растительного сырья в топливо, кормовые и пищевые продукты, полупродукты для химической и микробиологической промышленности рассматривается в настоящее время как одна из ключевых отраслей биотехнологии. Одно из направлений этой отрасли предусматривает способы превращения непищевого сырья (отходы целлюлозно-бумажной промышленности и сельского хозяйства) с помощью ферментов и микроорганизмов для получения углеводов и биологически активных веществ. Ферментативное превращение целлюлозы перспективно не только с точки зрения создания самостоятельных малоотходных технологий, но и с позиции снижения экологической опасности различных производств целлюлозно-бумажной промышленности и других производств, перерабатывающих растительное сырье и образующих большое количество отходов. Ежегодное производство древесины для изготовления бумаги достигает 150 млн. тонн и постоянно возрастает [5], создавая тем самым мощное давление на окружающую природную среду. Таким образом, невостребованные сырьевые ресурсы для ферментативного получения углеводов из целлюлозы огромны и постоянно возобновляются. Биоконверсия отходов лесопромышленных предприятий и предприятий переработки сельскохозяйственного сырья (целлолигнина) является новой технологией, не имеющей аналогов в отечественном и зарубежном промышленных производствах. Однако на практике, особенно отечественной, широко распространена технология химической конверсии целлолигнина, преследующая те же цели, что технология биоконверсии — превращение целлюлозы в сахаристые вещества. Технология химической конверсии предполагает перколяционный гидролиз целлюлозосодержащих материалов горячей разбавленной серной кислотой при температуре 150-180 oС и при избыточном давлении 2.5-3.0 кгс/кв. см. Основными недостатками процесса перколяционного гидролиза древесины являются образование крупнотоннажного отхода — лигнина и низкое качество гидролизата с точки зрения микробиологического синтеза: наличие в смеси и пентоз, и гексоз, а также заметных количеств ингибирующих примесей, ограничивает применение гидролизата только производством белково-витаминного концентрата (гидролизные дрожжи). Во всех остальных биотехнологических производствах это сырье оказывается неприемлемым, тем не менее, производительность гидролизных аппаратов при химической конверсии составляет 5.4-18.0 г/л·ч, что на порядок выше, чем при биоконверсии — 0.6-1.1 г/л·ч при одинаковом выходе по редуцирующим веществам от исходного сырья по абсолютно сухим веществам соответственно 25-44 % и 25-48 %. Но сравнение обеих технологий по некоторым показателям (качественная характеристика получаемого продукта, отход лигнина и влияние на окружающую природную среду) выдвигает биоконверсию как наиболее перспективную технологию. Однако, несмотря на многочисленные исследования, в настоящее время ни в одной стране мира пока нет промышленных установок для ферментативного гидролиза целлюлозосодержащих материалов. Одной из основных причин того, что процесс ферментативного гидролиза целлюлозы пока не удается перевести на промышленный уровень, является отсутствие высокопроизводительных и экономически эффективных аппаратов и технологий для ферментативного гидролиза, сопоставимых с уровнем аппаратов традиционной химической технологии. Для того, чтобы технологии биоконверсии растительного сырья экономически были выгодны для использования их в промышленном производстве, исследователи ориентируются на получение продуктов, которые невозможно получить традиционными химическими технологиями переработки растительного сырья. По данным литературы известно и описано немало технологий биоконверсии растительного сырья с использованием многостадийных процессов для удешевления нерентабельного процесса ферментативного гидролиза, являющегося основным в технологии биоконверсии. При этом экономическая характеристика той или иной технологии сильно зависит от рентабельности сопутствующих процессов и способов их использования [1, 4]. Так, например, сегодня рентабельными являются технологии, предусматривающие: 1) ферментативный гидролиз растительного сырья микроорганизмами, продуцирующими внеклеточные целлюлазы и накапливающими белок за счет своего развития для получения кормового и пищевого продукта; 2) совместное культивирование микроорганизмов, продуцентов внеклеточных целлюлаз для ферментативного гидролиза целлюлозы, и микроорганизмов, продуцентов целевого продукта (кормовой белок, этанол, ферментные препараты и др. продукты) на углеводах после ферментативного гидролиза. Наиболее подходящими и дешевыми углеродсодержащими субстратами для культивирования грибов — продуцентов целлюлаз являются отходы деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промыш-ленности и сельского хозяйства. Взаимосвязь между получением ферментов и использованием этих препаратов для конверсии целлюлозосодержащих отходов в сахара (ценный продукт для пищевой, микробиологической, медицинской и химической промышленности) наводит на мысль о создании новых комплексных малоотходных, экологически чистых технологий биоконверсии растительного сырья. Одной из важных проблем в решении этих задач является увеличение выхода целлюлаз с применением в питательной среде для культивирования дешевого и распространенного растительного сырья, а в лучшем варианте — отходов переработки этого сырья. На основе обобщения положений литературы и собственных данных в предложенном нами процессе биоконверсии [2, 3] расти-тельного сырья реализована эффективная технология получения внеклеточных целлюлаз при культивировании гриба Trichoderma viride. Процесс происходит в два этапа: первый — гидролиз легкорасщепляемой части сырья (до 50 %) с получением сахаров и максимально эффективным использованием ферментов, второй — ферментация образующихся лигнифицированных остатков продуцентом целлюлаз, позволяющая получить высокий выход ферментного препарата, значительно перекрывающий затраты на ферментативный гидролиз. Известно, что процесс ферментативного гидролиза протекает в две стадии, причем на первой превращению подвергается до 50 % целлюлозы, а затем скорость гидролиза снижается в 10 и более раз. На первой стадии происходит увеличение способности ферментов, адсорбированных на нерастворимом субстрате, гидролизовать вновь добавляемое сырье, а затем, на медленной стадии — уменьшение этой способности, параллельное снижению общей скорости процесса. Для каждого конкретного вида сырья существует своя оптимальная степень гидролиза, позволяющая достигать максимальной производительности и эффективности использования ферментов. Предложенная технология ферментативного гидролиза лигноцеллюлозного сырья (опилки, бумажная пыль, солома, сено и другие виды целлюлозосодержащих отходов сельского хозяйства) позволит решить все проблемы за счет многократного применения гидролизующего агента и непрерывности процесса гидролиза. Комплексная малоотходная технология биоконверсии целлюлозосодержащих материалов представляет собой микробиологическое производство, включающее две основные взаимосвязанные стадии превращения целлюлозы растительного сырья в готовые продукты: · ферментативный гидролиз с получением глюкозного сиропа; · микробиологический синтез ферментов целлюлаз на отходах ферментативного гидролиза с получением ферментного препарата для стадии ферментативного гидролиза и целлюлазного ферментного препарата. Основными продуктами, получаемыми в результате биоконверсии по предлагаемой технологии, являются целлюлазный ферментный препарат и глюкозный гидролизат, который является полупродуктом для получения таких веществ микробного синтеза, как хлебопекарные дрожжи, кормовые дрожжи, глицерин, уксусная кислота, изопропанол, ацетон, лимонная кислота и другие ценные по значению продукты микробиологического синтеза. В данном конкретном случае представлена технологическая схема (см. рисунок) производства, наглядно отображающая в виде блок-схем последовательность выполнения работ в производстве с подразделением их на стадии и операции технологического процесса. Комплексная малоотходная технология биоконверсии предусматривает использование глюкозного гидролизата для получения глюкозного концентрата с последующим биотехнологическим получением на его основе дрожжей и этанола, получение микробиологическим путем ферментного препарата целлюлаз и белкового корма для сельскохозяйственных животных. Данная схема выбрана, как пример комплексной биоконверсии. В зависимости от поставленной задачи возможно использование глюкозного гидролизата в комплексной технологии для получения перечисленных выше продуктов микробиологического синтеза. Разработанная нами комплексная малоотходная технология биокон-версии растительного сырья предусматривает одновременное по-лучение ферментативного гидролизата растительного сырья и препарата целлюлаз на остатке после гидролиза, что позволяет осуществить промышленное использование процесса ферментативного гидролиза растительного сырья и сделать технологию биоконверсии растительного сырья экономически выгодным процессом и рационально использовать возобновляемые растительные ресурсы. ЛИТЕРАТУРА 1. Использование ферментных систем препарата целлюлазы для биоконверсии растительного сырья / В.К. Мамыкин, Н.С. Мазур, Т.М. Бершова и др. // Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья, 1998. № 5. С. 46. 2. Селиванов А.С. Малоотходная технология биоконверсии растительного сырья: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1992. 27 с. 3. Селиванов А.С. Комплексная переработка целлюлозосодержащих отходов лесоперерабатывающих и сельскохозяйственных предприятий на основе биоконверсии // Биотехнология на рубеже веков: проблемы и перспективы. Киров, 2001. С. 89-91. 4. Технология производства углеводно-белкового концентрата и перспективы его использования / И.И. Мирошниченко, Н.А. Студенцова, В.Я. Скляров и др. // Пищевые технологии, 1998. № 2-3. С. 53-54. — (Изв. высш. учеб. заведений). 5. Sudguist J. The role of biotechnology in the wood-processing industry of the future // Kemia-Kemi, 1987. Vol. 14, № 100. P. 984.
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 5053 посещений с 04.03.2002 |