CC BY
77<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК 636.24: 665.666.2
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ТОПИНАМБУРА С ПОЛУЧЕНИЕМ БИОЭТАНОЛА
А. А. Ковалёв, Т. В. Рязанова, Н. А. Чупрова
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: kovaleks@mail.ru
Биомасса топинамбура может служить сырьем для биохимического производства так как служит хорошим источником сбраживаемых сахаров. Ферментативный гидролиз топинамбура и сбраживание полученного гидролизата показали его пригодность для получения биоэтанола.
Ключевые слова: топинамбур, ферментативный гидролиз, химический состав, гидролизат, биоэтанол.
ARTICHOKE COMPLEX PROCESSING WITH OBTAINING BIOETHANOL А. A. Kovalev, T. V. Ryazanova, N. A. Chuprova
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: kovaleks@mail.ru
Biomass of Jerusalem artichoke can serve as a raw material for biochemical production because it is a good source of fermentable sugars. Enzymatic hydrolysis of Jerusalem artichoke and fermentation of the resulting hydrolysate show its suitability for bio-ethanol production.
Keywords: Jerusalem Artichoke, enzymatic hydrolysis, chemical composition, hydrolysate, bioethanol.
Среди основных задач, стоящих перед современной промышленностью, особое значение приобретает рациональное использование природных ресурсов и создание технологий получения ценной товарной продукции с одновременной переработкой отходов с целью снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.
Одним из наиболее перспективных видов сырья для биотехнологической переработки является топинамбур, который используется не только в сельскохозяйственных целях как кормовая культура, но и для восстановления загрязненных почв. Биомасса топинамбура может служить сырьем для биохимического производства [1; 2].
Разные направления биохимических производств предъявляют специфические требования к сырью, но одно необходимое требование для всех производств -высокое содержание полисахаридов, т. е. целлюлозы, крахмала, гемицеллюлоз.
Этому требованию, согласно данным химического состава, удовлетворяет вегетативная часть топинамбура. Так, содержание полисахаридов в ней колеблется от 32,94 до 58,20 % в зависимости от времени уборки.
Топинамбур характеризуется неограниченными возможностями многоцелевого назначения - на пищевые, кормовые, технические, лекарственные и экологические цели. Клубни топинамбура содержат более 20 % инулина (на абсолютно сухую массу) и как инулиносодержащее сырье представляют значительный интерес для переработки на инулин, глюкозо-фруктозный сироп, спирт и др.
Данная культура 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 ферментативный способ гидролиза [3].
На основе полученных гидролизатов могут осуществляться любые типы ферментации - культивирование микроорганизмов, продуцирующих белок, этанол и другие продукты микробного синтеза. Производство этих продуктов - задача весьма актуальная.
На первом этапе работы мы проводили исследования вегетативной части топинамбура, цель которых заключалась в подборе ферментов и режимов ферментативного гидролиза вегетативной части топинамбура с последующим получением на его основе биоэтанола.
Вначале исследования образца была проведена предварительная подготовка растительного материала: высушивание до воздушно-сухого состояния и механическое измельчение. Исследование химического состава вегетативной части топинамбура проводили с использованием методов, принятых в химии растительного сырья [4].
Результаты проведенных исследований показали, что в биомассе топинамбура на долю веществ углеводного характера приходится 44 %, из них водорастворимых углеводов - 14 %, полисахаридов -33 %, из которых - 20 % приходится на долю трудно-гидролизуемых. Содержание водоэкстрактивных веществ - 45 %.
Благоприятный состав вегетативной части топинамбура указывает на возможность его гидролиза различными ферментными препаратами.
'Комплексная переработка возобновляемого сырья
В процессе гидролиза были использованы два ферментных препарата «Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX», которые вносили в количестве по 0,2 % от массы субстрата. Ферментативный гидролиз вегетативной части топинамбура проводили при следующих условиях: продолжительность процесса т - 24 ч; температура г - 52 ° С; среда рН - 6,0; сырье, концентрация (субстрат) сухих веществ - 30, 45, 60 г/л.
В ходе эксперимента было установлено, что наиболее благоприятной является среда с концентрацией сухих веществ 45 г/л, так как в этой среде наблюдается наибольший выход РВ от исходного сырья и от углеводов - 7,22/15,43; 16,48/35,24 % соответственно [5].
Анализируя фракционный состав и его влияние на выход компонентов растительного материала, можно рекомендовать к использованию измельченную биомассу без разделения на фракции, поскольку использование одной какой-либо фракции является нерациональным и неэффективным.
Результаты, полученные при изучении химического состава гидролизата, дают основание считать, проведённый ферментативный гидролиз вегетативной части топинамбура эффективным. Исследование химического состава этого остатка показало, что 80 % полисахаридов прогидролизовалось в процессе ферментолиза и только 20 % полисахаридов осталось в остатке. Содержание лигнина в остатке увеличилось до 70 %.
Сбраживание полученного гидролизата дрожжами рода Saccharomyces cerevisiae показало его пригодность для получения биоэтанола. Выход спирта со 100 кг РВ сахарозного сусла составил 73,4 л, со 100 кг РВ топинамбурного - 58,7-62,5 л, что в пересчете на исходное сырье составит 26,6-28,1 л со 100 кг а.с.в. топинамбура.
Новый подход к организации технологического процесса ферментативного гидролиза нетрадиционного растительного сырья - вегетативной части топинамбура, а также полученные результаты, позволили расширить область исследований до комплексной переработки топинамбура с получением биоэтанола.
Остаток после ферментативного гидролиза, как показали исследования, проведенные на кафедре ХТД и БТ, можно подвергать биоконверсии, глубинному и твердофазному культивированию с целью получения кормового продукта и БАВ [6].
В связи с этим актуальной является разработка технологии комплексной переработки топинамбура посредством ферментативного гидролиза с получением биоэтанола, позволяющая получить новые качественные продукты высокого выхода и использование их в химическом и биохимическом производстве.
Библиографические ссылки
1. Ферментативный гидролиз порошковых целлюлоз, полученных различными методами / М. А. То-ропов [и др.] // Химия растительного сырья. 2007. № 3. С. 69-76.
2. Будаева В. В., Митрофанов Р. Ю., Золотухин В. Н. Исследование ферментативного гидролиза отходов переработки злаков // Ползуновский вестник. 2008. № 3. С. 322-327.
3. Синицын А. П., Гусаков А.В., Черноглазов В.М. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1995. 224 с.
4. Рязанова Т. В., Чупрова Н. А., Исаева Е. В. Химия древесины / СибГТУ. Красноярск, 2012. 358 с.
5. Ковалёв А. А., Чупрова Н. А., Рязанова Т. В. Исследование влияния фракционного состава вегетативной части топинамбура на ферментативный гидролиз // Актуальные проблемы химии и биотехнологии : материалы 1-й Всерос. науч.-практ. конф. Иркутск, 2015. С. 38-41.
6. Тарнопольская В. В., Васюк А. Е., Алауди-нова Е. А. Биоконверсия вегетативной части топинамбура ксилотрофными базидиомицетами рода Pleurotus в условиях глубинного культивирования с получением комплексной кормовой добавки // Наука и современность : материалы Междунар. науч.-практ. конф. Уфа, 2015. С. 128-132.
References
1. Toropov M. A., Tarabukin D. V., Frolova S. V. i dr. Fermentativnyy gidroliz poroshkovykh tsellyuloz, poluchennykh razlichnymi metodami [Enzymatic hydrolysis of the cellulose powder obtained by different methods] Khimiya rastitel'nogo syr'ya. [Chemistry of vegetable raw materials]. 2007. № 3. S. 69-76.
2. Budaeva V. V., Mitrofanov R. Yu., Zolotukhin V. N. Issledovanie fermentativnogo gidroliza otkhodov per-erabotki zlakov [Study of enzymatic hydrolysis of the waste of the food grains] // Polzunovskiy vestnik. 2008. № 3. S. 322-327.
3. Sinitsyn A. P., Gusakov A. V., Chernoglazov V. M. Biokonversiya lignotsellyuloznykh materialov. [Bioconversion of lignocellulosic materials]. M. : Izd-vo Mosk-ovskogo universiteta, 1995. 224 s.
4. Ryazanova T. V., Chuprova N. A., Isaeva E. V. Khimiya drevesiny. [Chemistry of wood.] Krasnoyarsk : SibGTU, 2012. 358 s.
5. Kovalev A. A., Chuprova N. A., Ryazanova T. V. Issledovanie vliyaniya fraktsionnogo sostava vegetativnoy chasti topinambura na fermentativnyy gidroliz [Study of the influence of the fractional composition of the vegetative part of Jerusalem artichoke for enzymatic hydrolysis] Aktual'nye problemy khimii i biotekhnologii, Materialy 1-y Vseros. nauch.-praktich. konf., Irkutsk [Actual problems of chemistry and biotechnology, Materials of the 1st all-Russia. scientific.-practical. Conf. Irkutsk], 2015, s. 38-41.
6. Tarnopol'skaya V. V., Vasyuk A. E., Alaudinova E. A. Biokonversiya vegetativnoy chasti topinambura ksilotrofnymi bazidiomitsetami roda Pleurotus v usloviyakh glubinnogo kul'tivirovaniya s polucheniem kompleksnoy kormovoy dobavki [Bioconversion of the vegetative part of Jerusalem artichoke by xylotrophic basidiomycetes of the genus Pleurotus in submerged cultivation with obtaining a comprehensive feed additives] // Nauka i sovremennost': materialy mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Science and modernity: materials of Intern. scientific.-pract. conf]. Ufa, 2015. S. 128-132.
© Ковалев А. А., Рязанова Т. В., Чупрова Н. А., 2016
