CC BY
20БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 663.031
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ЗАМОРОЗКИ ПРИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА ИЗ ТОПИНАМБУРА НА ВЫХОД САХАРОВ
Булгакова В.П., бакалавр 3 курса направления подготовки 19.03.01 - «Биотехнология». Научный руководитель: к.с.-х.н., доцент Гагарина И.Н. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ
АННОТАЦИЯ
В целях повышения эффективности использования культур и качества топлива были созданы способы добычи и применения новых ресурсов. Рынок нефтепродуктов позволяет внедрить альтернативные источники топливной энергетики -преобразование сахаров в горючее, биоспирты и сырье для машиностроения, фармакологии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Этанол, биокомпоненты, ресурсы, промышленность, машиностроение, топинамбур, сахар, производство.
ABSTRACT
In order to improve crop efficiency and fuel quality, methods have been created for the extraction and use of new resources. The oil products market allows introducing alternative sources of fuel energy - the conversion of sugars into fuel, bio-alcohols and raw materials for engineering, pharmacology.
KEY WORDS
Ethanol, biocomponents, resources, industry, engineering, jerusalem artichoke, sugar production.
Для улучшения экологической ситуации в мире крупные промышленные объекты перешли на альтернативные способы получения нефтяных топлив. Для сохранения и повышения октанового числа в горячих материалах применяют добавку в виде этанола. Это наиболее привлекательный оксигента в сравнении с другими веществами: из него производят вторичные продукты, чья мощность выше, экологический показатель больше [7, 14, 23].
Конверсия растительной биомассы достигается за счёт присутствия дрожжей. Спиртовые дорожки на растительных гидролизатах получают из технического биоэтанола, чтобы потом применить в топливной промышленности, как экологический продукт: процесс позволяет улучшить экологическую ситуацию в России до 67%. При этом ресурс двигателя машины значительно вырастает; сокращается использование ресурсов, которые не способны использоваться вторично, значит, и коэффициент загрязнения будет ниже. Топинамбур отличается высокой морозостойкостью, это отличное сырьё для использования в машиностроении и фармакологии.
Культуру можно использовать и в отраслях народного хозяйства: клубни служат пищей для скота и людей [1, 3]. Так, например, в Бразилии каждый второй ездит на биологическом топливе - октановое число топливных добавок выше коэффициента 100. Это позволяет удерживать скорость горения в несколько минут. Однако не присадка (добавка биоэтанола), а использование чистого продукта даёт возможность ещё больше экономить на выбросах.
Биоэтанол, как продукт переработки сахарного тростника, пользуется популярностью не только в автопарках [4, 18]. Учёные отметили, что культура
пользуется «вниманием», потому что в период роста на поле тростники поглощают до 80% вредных веществ. Эти растения стали выращивать интенсивно возле дорожных полотен для поглощения выбросов газов. Так, 1 га территории может обеспечить кислородом 80 человек. Лес «делает свою работу» в два раза меньше.
В США, Бразилии и Канаде топинамбур используют для получения спиртовых основ. Биоэтанол в чистом виде добывают в Австрии, Венгрии. Учёные выяснили, что в химическом составе углеводного комплекса топинамбура присутствует фруктоза, а это отличный вариант сбраживания сахаров. Спирт в размере 80 л получают с 1 тонны собранных клубней, 45 л со стеблей. Это в несколько раз больше, чем добыча спирта из свеклы, картофеля и пшеницы [16, 17].
В фармакологии спирт получают из инулинсодержащего сырья. Топинамбур измельчается, смешивается с водой и подвергается тепловой обработке. В течение 22,5 часов смесь охлаждается и оставляется на 28 часов для брожения [5, 6]. На выходе получается спирт. Его отгонку осуществляют острым паром, чтобы водно-спиртовой конденсат можно было подвергнуть ректификации [12, 11]. В итоге получается абсолютный алкоголь в размере 54% и содержащий спирт состав [8, 15, 19, 22].
Материалы и методика исследований.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории биотехнологии Орловского ГАУ и в Орловском региональном биотехнологическом центре сельскохозяйственных растений.
В работе использовали стандартные методы физико-химического анализа, микробиологические и органолептические исследования, а также современные методы анализа: спектрофотометрию.
Результаты и их обсуждение.
Разные направления биотехнологических производств предъявляют специфические требования к сырью, но одно и в первую очередь необходимое требование для всех производств - высокое содержание полисахаридов, т.е. целлюлозы, крахмала, гемицеллюлоз.
Этому требованию, согласно данным химического состава, удовлетворяют клубни топинамбура сорта Интерес. Так, содержание полисахаридов в них колеблется от 30 до 58%, а инулина в частности до 50 % в зависимости от времени уборки, кроме того, он служит хорошим источником сбраживаемых сахаров. Эффективность превращения углеводов составляет от 80 до 95%. Из известных способов гидролиза полисахаридов более приемлемым для данного вида сырья может быть кислотный способ гидролиза
На первом этапе для совмещения стадии извлечения моносахаридов и инверсии олигосахаридов проводили гидролиз топинамбура разбавленной минеральной кислотой. В данной работе в качестве катализатора реакции гидролиза была выбрана ортофосфорная кислота, обладающая наибольшей каталитической активностью.
Известно, что при температуре ниже нуля по Цельсию, в клубнях топинамбура по аналогии с клубнями картофеля, запускается процесс распада полисахаридов на более простые элементы, в том числе глюкозу, кроме того в клубнях топинамбура так же имеются и ферменты для гидролиза крахмала, эти ферменты активизируются тоже после холодов, таким образом увеличивается количество сахаров необходимое для дальнейшего сбраживания и получения биоэтанола.
Доказано, что при +20 градусов клубни выдают 100% сахара, а при -7 на 4,8% больше. Пик содержания сахаров приходится на -4 градуса: сахар увеличивается до 5,6% [9, 13]. Это исследование очень важно, так как сейчас для медицинских целей топинамбур обрабатывают путём гидролиза. При снижении температуры процесс добычи сахаров уменьшается по времени (табл. 1). Это позволяет за несколько дней добыть спирт, как за неделю при комнатной температуре. Ортофосфорная кислота выделяется из биомассы при -7 градусах. В итоге засахаренное сусло сокращает длительность брожения до 14 часов [2, 10, 20, 21].
Таблица 1 - Влияние низких температур на содержание сахара в клубнях _топинамбура_
Варианты исследования Температура для охлаждения, 0С Время воздействия, ч Содержание общего сахара в образце, %
1 -1 24 4,6
2 -1 48 4,6
3 -4 24 5,6
4 -4 48 5,6
5 -7 24 4,9
6 -7 48 4,9
7 -12 24 4,1
8 -12 48 4,2
9 + 22 48 3,0
Для сбраживания сусла использовали промышленные штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Процесс брожения проводили в анаэробных условиях. Такие параметры, как температура и продолжительность процесса брожения, на основании практических данных, согласно технологическим регламентам гидролизных заводов, были застабилизированы на постоянном уровне: температура - 35 °С, продолжительность - 24 ч. В процессах биоконверсии растительного сырья важное значение имеет предобработка, то есть использование дополнительных методов воздействия на сырье, в целях извлечения труднодоступных сахаров и перевод их в сбраживаемые сахара.
Как установлено в результате анализа химического состава топинамбура сорта Интерес, большую его часть составляют полисахариды, для перехода которых в сбраживаемые сахара воздействие только лишь физическими методами оказывается недостаточным.
Для осуществления процесса гидролиза при биоконверсии растительного сырья широко используется метод кислотного гидролиза.
Реакция гидролиза полисахаридов является обратной процессу их образования из моносахаридов. Полный гидролиз полисахаридов приводит к образованию моносахаридов - целюллоза, крахмал и гликоген гидролизуются до глюкозы.
Нами были применены различные вариации гидролиза биомассы топинамбура сорта Интерес с применением фосфорной кислоты (табл. 2).
Таблица 2 - Результаты кислотного гидролиза клубней топинамбура
Характеристика гидролизата
Режим гидролиза, при С Гидромодуль рН Содержание общего Массовая концентрация общего Сухое вещество,%
сахара, % экстракта, г/100см3
1 2 3 4 5 6
1 атм, 10мин + H3PO4 (-1) 2500:200 3,21 14,0 7,476 4,5
1 атм, 20мин +H2SO4 (-1) 2500:200 2,98 14,1 8,772 4,4
1 атм, 10мин+ H3PO4 (-4) 2500:200 3,2 17,0 7,83 6,1
1 атм, 20мин+ H3PO4 (-4) 2500:200 3,21 17,4 7,653 7,0
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 4 6
1 атм, 10мин+ Н3Р04 (-7) 2500:200 5,53 24,2 9,066 3,8
1атм 20мин+ Н3Р04 (-7) 2500:200 4,4 24,9 9,036 4,0
1 атм, 10мин+ Н3Р04 (-12) 2500:200 5,32 18,0 9,122 3,1
1атм 20мин+ Н3Р04 (-12) 2500:200 4,3 18,0 9,096 3.9
1атм 10мин+ Н3Р04 (-12) 2500:200 3,1 10,2 7,345 3,4
1атм 20мин+ Н3Р04 (+19) 2500:200 3,1 14,0 1,234 3,4
Установлено, что наиболее эффективными режимами гидролиза клубней топинамбура, при котором в гидролизате накапливается наибольшее количество общего сахара, в том числе и сахарозы, являются параметры гидролиза: 1 атм, 20 мин+Н3Р04 при гидромодуле 2500:200, температура охлаждения -7 оС, при котором концентрация сахаров в гидролизате составляет 24,9 % и 1 атм.
По физико-химическим показателям биоэтанол, полученный из клубней топинамбура, соответствует ГОСТу 17299-78 «Спирт этиловый технический».
Очистку и перегонку полученного опытного образца биоэтанола из клубней топинамбура проводили методом ректификации.
По итогам экономического расчета можно сделать вывод, что за счет применения предлагаемой технологии изменяется себестоимость биоэтанола в сторону ее уменьшения, а именно цена продукции, выработанной с использованием новой технологии на 20% ниже.
Выводы.
1. Установлено, что зеленая масса топинамбура сорта Интерес, культивируемого в Орловской области, представляют собой ценное сырье для биотехнологических производств, в том числе и для производства биоэтанола. Зеленая масса данного растения накапливает до 9,76% редуцирующих сахаров и до 34,34% безазотистых экстрактивных веществ.
2. Определено, что наиболее эффективными режимами гидролиза зеленой массы топинамбура с. Интерес, при котором в гидролизате накапливается наибольшее количество общего сахара, являются параметры:
а) давление 1 атм, время выдержки 40 мин + Н3Р04, гидромодуль 2000:300, при котором концентрация сахаров в гидролизате составляет 9,2 г/100см3;
б) давление 1 атм, выдержка 40 мин + Н3Р04 при гидромодуле 2500:260 с накоплением сахаров в гидролизатате, равном 8,027 г/100см3.
3.Установлено, что выход биоэтанола составляет 50 миллилитров из одного килограмма зеленой массы топинамбура с. Интерес;
4. Проведение химической очистки по Грацианову позволило значительно улучшить качество опытного образца биоэтанола из зеленой массы топинамбура, что позволяет предположить о его дальнейшем использовании в пищевой промышленности.
5. Выявлено, что добавление биоэтанола в бензин повышает октановое число на 10-20%, в то время как добавка из технического спирта такого эффекта не оказывает.
6. За счет применения предлагаемой нами технологии изменяется себестоимость биоэтанола в сторону ее уменьшения, а именно цена продукции, выработанной с использованием новой технологии на 20% ниже.
В заключении отметим, что сегодня европейские страны и российский рынок сбыта топливных материалов не только развивается, но и находит применение растительным сахарам в разных отраслях промышленности. Благодаря новым ресурсам и методам переработки поддерживается экология, возобновляется работа отраслей, где спиртовые осаждения и субпродукты не только повышают ресурсы предприятий, но и отображают привлекательный прогноз для вторичного использования биоэтанола.
Библиография:
1. Аникиенко Т. Практическое применение топинамбура. - М. : LAP Lambert Academic Publishing, 2011. 324 c.
2. Арутюнов В. Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики. - М. : Алгоритм, 2016. 208 с.
3. Бурова Т.Е. Экологическая биотехнология: Учебное пособие. М.: ГИОРД, 2018. 176 с.
4. Варфоломеев С.Д. Химия биомассы. Биотоплива и биопластики. М. : Научный мир, 2017. 790 с.
5. Биологическая роль лектинов в формировании иммунитета яровой пшеницы / И.В. Горькова, И.Н. Гагарина, А.Ю. Гаврилова, Е.В. Костромичева, А.А. Горьков // В сб. : Инновационные фундаментальные и прикладные исследования в области химии сельскохозяйственному производству, 2014. С. 209-212.
6. Гагарина И.Н., Павловская Н.Е. Инновационный подход к применению белковых компонентов в биотехнологии // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2008. № 1 (10). С. 36-38.
7. Германович В. Альтернативные источники энергии и энергосбережение. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. М. : Наука и техника, 2014. 320 с.
8. Зуева О. Биотопливо и бионанотехнологии. М. : LAP Lambert Academic Publishing, 2014. 112 с.
9. Загоскина Н.В. Основы биотехнологии. В 2 частях. Ч. 1. Учебник и практикум для СПО. М. : Юрайт, 2018. 162 с.
10. Коровкин О.А. Ботаника: Учебник. М. : КноРус, 2018. 434 с.
11. Ксенофонтов Б.С. Основы микробиологии и экологической биотехнологии: Учебное пособие. М. : Инфра-М, Форум, 2015. 224 с.
12. Луканин А.В. Инженерная биотехнология. Процессы и аппараты микробиологических производств: Учебное пособие. М. : Инфра-М, 2016. 452 с.
13. Мартинович Г.Г. Клеточная биоэнергетика. Физико-химические и молекулярные основы: Учебное пособие. М. : Ленанд, 2017. 200 с.
14. Медведкова И. Рынок биотоплива: проблемы и перспективы: информационно-аналитический бюллетень «Мост». Выпуск № 3, май 2013 / И. Медведкова, Т. Трудаева [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //trad e.ecoaccord.Org/bridges/0313/3.html.
15. Павловская Н.Е., Гагарина И.Н., Горькова И.В. Производство ингибиторов протеиназ и лектинов из сельскохозяйственных культур // Хранение и переработка сельхозсырья. 2017. № 1. С. 33-38.
16. Павловская Н.Е., Гагарина И.Н., Прудникова Е.Г. Применение ПЦР-метода для маркирования сельскохозяйственных растений // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2009. № 3 (18). С. 32-35.
17. Цыганов А.Р. Биоэнергетика: Энергетические возможности биомассы. Минск; Беларус. навука, 2012. 72 с.
18. Неверова О.А. Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения: Учебник. М. : ДРОФА, 2014. 320 с.
19. Рассел Д. Топинамбур / Джесси Рассел. М. : VSD, 2012. 495 c.
20. Сельскохозяйственная биотехнология и биоинженерия. М. : Ленанд, 2015. 704 с.
21. Тетельмин В.В. Физические основы традиционной альтернативной энергетики: Учебное пособие. М. : Интеллект, 2016. 176 с.
22. Фёдоровна Е. Энергетическая политика России. М. : LAP Lambert Academic Publishing, 2013. 108 с.
23. Determination of over all toxicity plant protection from diseases based on buckwheat bioflavonoids / Chupak V.V., Pavlovskaya N.E., Gagarina I.N., Borodin D.B., Borzenkova G.A. // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2015. № 2 (53). С. 8-11.
УДК 577.164.2
КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИТАМИНА С В ПРОДУКТАХ ПИТАНИЯ
МЕТОДОМ ЙОДОМЕТРИИ
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрено строение молекулы витамина С, химические процессы с ее участием. Изучено физиологическое значение аскорбиновой кислоты. Проведен сравнительный качественный и количественный анализ содержания витамина С в различных образцах фруктово-ягодных соков.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Аскорбиновая кислота, витамин С, химические свойства аскорбиновой кислоты, физиологическое значение витамина С, фруктово-ягодные соки, качественный анализ, количественный анализ, метод йодометрии.
ABSTRACT
The article describes the structure of the vitamin C molecule, chemical processes with its participation. Studied the physiological significance of ascorbic acid. A comparative qualitative and quantitative analysis of the content of vitamin C in various samples of fruit juices was carried out.
KEY WORDS
Ascorbic acid, vitamin C, chemical properties of ascorbic acid, the physiological significance of vitamin C, fruit and berry juices, qualitative analysis, quantitative analysis, iodometry method.
Аскорбиновая кислота - органическое соединение, являющееся одним из наиболее значимых в живом организме. Впервые выделен витамин С в 1923 году Ч.Г. Кингом из капусты, а химически синтезирован химиком А. Сент-Дьёрди в 1928 году. (рис. 1):
Землянская В.А., Скребнева К.С., студентки 2 курса
специальности 36.05.01 «Ветеринария». Научный руководитель: к.с.-х.н., доцент Коношина С.Н. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ
Рисунок 1 - Формула аскорбиновой кислоты
