Исследование кинетики и оптимизация условий ферментолиза лигноцеллюлозных материалов в целях производства топливного этанола Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

М. В. Харина, Р. Т. Валеева, С. Е. Орлова ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ФЕРМЕНТОЛИЗА ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЦЕЛЯХ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНОГО ЭТАНОЛА

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.

В целях максимального выхода редуцирующих веществ при ферментативной обработке целлюлозо-содержащего сырья

необходимо использовать оптимизированное

сочетание ферментов. Оптимальный состав

применяемого ферментного комплекса во многом определяется содержанием в субстрате различных фракций (целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина). Для того, чтобы определить, какие ферменты и метод предварительной обработки будут работать лучше всего на исследуемом сырье были проведены исследования ферментов фирмы Новозаймс,

рекомендуемых для производства целлюлозного этанола.

Экспериментальные исследования кинетики и оптимизацию физико-химических условий

процессов ферментативного гидролиза проводили аналогично ранее проведенным работам [1, 2] на лабораторной установке при гидромодуле 1:10 и более, в регулируемом температурном диапазоне 35 - 70 °С при рН 2,5 - 6,5 [3].

В ходе экспериментальных исследований кинетики и оптимизации условий проведения процесса ферментативного гидролиза аналогично предыдущим исследованиям [4, 5] измеряли

значение рН в ферментолизате, скорость вращения мешалки, ток в цепи якоря электродвигателя, падение напряжения на якоре двигателя.

При проведении экспериментов в качестве источника целлюлозы использовали

фильтровальную бумагу [4, 5].

В эксперименте 1 использовался фермент N8 22002 в количестве 12 мл, в эксперименте 2 -N850010 в количестве 10 мл, в эксперименте 3 -N822036 в количестве 4 мл. Учитывая рекомендации фирмы Новозаймс [6], в эксперименте 4 провели ферментолиз предварительно обработанной соломы с применением ферментов N850010, N822036,

N822002 и N822035 вместе с ферментным комплексом N850012 в суммарном количестве 14 мл.

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 24 часов.

Фермент N850010 - р-глюкозидаза

(целлобиаза), гидролизует целлобиозу до глюкозы. Данный фермент может быть использован в дополнение к целлюлолитическим ферментам с целью повышения выхода ферментируемых сахаров для полного гидролиза доступной целлюлозы. Оптимальными условиями для фермента N850010 являются: рН 2,5-6,5, температура 45-70°С.

Активность фермента 750 АвИ/я.

N822036 - очищенная эндоксиланаза с высокой специфичностью к растворимым пентозанам. N822036 может быть использован для освобождения пентозных сахаров из биомассы фракций гемицеллюлозы. Оптимальными условиями для фермента N822036 являются: рН 4,56,0, температура 35-55°С. Активность фермента 1,000 БХИ- 8/ё.

N822002 - состоит из смеси ферментов - р-глюканазы и ксиланазы. р-глюканаза и ксиланаза -два основных действующих фермента, но препарат также содержит другие компоненты с активностью: целлюлазы, гемицеллюлазы и пентозаназы. Оптимальными условиями для фермента N822002 являются: рН 5,0-6,5, температура 40-60 °С.

N822002 имеет типичную стандартизированную активность 45 грибных р-глюканазных единиц/г ((РБв/г), а кроме того, он имеет около 470 единиц грибных ксиланазных единиц/г (БХИ/г).

N822035 - глюкоамилаза, используется на превращенных в жидкое состояние крахмалсодержащих субстратах. Препарат

ферментов работает как на специфичных стадиях осахаривания, так и на этапах ферментации. Глюкоамилазы гидролизуют и 1,4-, и 1,6-альфа связи, освобождая глюкозу для последующего брожения дрожжей. Оптимальными условиями для фермента N822035 являются: рН 4,5-5,5,

температура 60-70°С. Активность фермента 750 АвИ/я.

Количество ферментов, подаваемых при ферментолизе, варьировали от 1,2 до 15 мл.

Изменение концентрации РВ в процессах ферментативного гидролиза целлюлозы

представлены на рис.1 - рис. 3.

Изменение концентрации РВ в процессах ферментативного гидролиза предварительно обработанной соломы с применением ферментов N850010, N822036, N822002 и N822035 вместе с ферментным комплексом N850012 представлены на рис.4.

Массу полисахаридов, массу РВ и энергозатраты рассчитывали аналогично

предыдущим исследованиям [3, 7].

Расчетные данные по конверсии субстратов и скорости проведенных процессов представлены в таблице 1.

Расчетные данные по удельным энергозатратам проведенных процессов представлены в таблице 2.

Брзмтс.чэс

Рис. 1 - Изменение концентрации РВ в процессах ферментативного гидролиза бумаги ферментом N8 22002

■15

■1 Н--------------------------------------------------------------------------------------

С' 2 4 6 8 10

Ерзіся. час

Рис. 2 - Изменение концентрации РВ в процессе ферментативного гидролиза бумаги ферментом N850010

■

1/

*<

*

О і 4 # Б № Зі 3-і 3« ЗБ ЗО =1 її X

Бряыл, "час

Рис. 3 - Изменение концентрации РВ в процессах ферментативного гидролиза бумаги ферментом N822036

БріЬЦЕ-ЧЗС

Рис. 4 - Изменение концентрации РВ в процессе ферментативного гидролиза соломы

предварительно запаренной в автоклаве в нейтральной среде с применением ферментов N850010, N822036, N822002 и N822035 вместе с ферментным комплексом N850012

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

Процесс Т ср, °С pH сР РВ тах, % Конверсия, % Я, гРВ/л*час

Эксперимент 1 50,28 5,72 0,26 10,27 0,73

Эксперимент 2 63,84 5,91 0,41 24,53 1,33

Эксперимент 3 49,81 5,48 0,63 37,77 0,51

Эксперимент 4 47,46 5,19 0,53 14,06 1,52

Таблица 2 - Расчетные данные по удельным энергозатратам проведенных процессов

Процесс I, А ^ т М тах, ч W, Вт-ч Wуд, Вт-ч/гРВ

Эксперимент 1 1,78 8,39 7,0 104,54 20,10

Эксперимент 2 2,03 8,30 6,0 101,09 12,33

Эксперимент 3 2,15 9,52 24,0 491,23 38,99

Эксперимент 4 1,37 7,96 5,0 54,53 5,14

Как следует из таблиц 1, 2, наилучшие показатели процесса (конверсия, скорость процесса, удельные энергозатраты) достигнуты при проведенных экспериментах 2 и 3.

Процессы ферментолиза гемицеллюлозы и кристаллической целлюлозы требуют различных режимных условий.

Процесс ферментолиза сложных по составу субстратов будет оптимальным только в том случае, если режимные параметры будут меняться соответственно стадиям ферментолиза компонентов сырья. Применение дополнительных ферментов позволяет повысить концентрацию сахаров в полученном гидролизате, при этом ферменты

полностью совместимы по требуемому уровню рН и температуре с исследованными ферментативными комплексами. Дополнительное внесение

ферментных препаратов после существенного замедления процесса ферментолиза (из-за предполагаемой дезактивации фермента) приводит к росту технологических показателей на 5 - 12 %, но это влечет фактически двукратный расход препарата, что экономически не целесообразно. Изменение суммарного количества фермента в 5 раз приводит к увеличению конверсии только в 1,8 раза.

Литература

1. 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).

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

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

4. М.В. Харина, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, Вестник Каз. технол. ун-та, 13, 210 - 212, (2012).

5. М.В. Харина, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, А. А. Галева, Вестник Каз. технол. ун-та, 16, 184 -185, (2012).

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

© М. В. Харина - асп., асс. каф. химической кибернетики КНИТУ, [email protected]; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; С. Е. Орлова - магистрант КНИТУ.