CC BY
122
УДК 576.6.086.83:661.72.093.8 ПОЛУЧЕНИЕ БИОЭТАНОЛА ИЗ ВЕГЕТАТИВНОЙ ЧАСТИ ТОПИНАМБУРА
© Н.А. Чупрова, Т.В. Рязанова
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия)
Работа посвящена изучению химического состава вегетативной части топинамбура с целью отыскания путей его квалифицированного использования, а именно в качестве сырья для биохимической переработки. Показана возможность получения биоэтанола из вегетативной части топинамбура.
Ключевые слова: топинамбур, вегетативная часть, моно- и олигосахариды, легко- и трудногидролизуемые полисахариды, редуцирующие вещества, гидролизат, сусло, бражка, сбраживаемые сахара, биоэтанол.
Введение
В последние годы во всем мире уделяется серьезное внимание вопросам химической и биотехнологической переработки биомассы легковозобновляемого растительного сырья.
Разные направления биохимических 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, удовлетворяет вегетативная часть топинамбура. Так, содержание полисахаридов в ней колеблется от 30 до 58% в зависимости от времени уборки, кроме того, он служит хорошим источником сбраживаемых сахаров. Эффективность превращения углеводов составляет от 80 до 95% [1-3]. Из известных способов гидролиза полисахаридов более приемлемым для данного вида сырья может быть кислотный способ гидролиза.
На основе полученных гидролизатов могут осуществляться любые типы ферментации - культивирование микроорганизмов, продуцирующих белок, этанол и другие продукты микробного синтеза [4, 5]. Производство этих продуктов - задача весьма актуальная. В высокоразвитых странах биоэтанол рассматривают как перспективный вид экологически чистого топлива для двигателей внутреннего сгорания.
На данном этапе это возможно за счет внедрения в технологический процесс новых нетрадиционных видов сырья, технологических приемов его переработки, приводящих к максимально возможному выходу готовых продуктов. С этой точки зрения вегетативная часть топинамбура является перспективным видом сырья.
Экспериментальная часть
Объектом исследования служила вегетативная (надземная) часть топинамбура, отобранная в октябре. Исследования химического состава проводили по методикам, принятым в химии растительного сырья, в определенной последовательности [6]. В исходном образце определяли влажность и проводили экстракцию горячей водой. Для получения достоверных результатов все основные компоненты (легко- и трудногидролизуемые полисахариды и лигноподобные вещества) анализировали в остатке после извлечения горячей водой.
Исследование состава сахаров водного экстракта и гидролизатов легко- и трудногидролизуемых полисахаридов проводили методом газожидкостной хроматографии после синтеза их триметилсилильных (ТМС) эфиров на хроматографе «Хром-5» в следующих условиях: хроматографическая колонка длиной 3 м и диаметром 3 мм заполнена хромосорбом (120/140 меш) с нанесенной неподвижной жидкой фазой - полиметилфенилси-ликоновая жидкость (ПМФМ-6). Температура колонки - 170 °С, газ-носитель - гелий, расход - 60 мл/мин, температура испарителя - 250 ° С. Идентификацию сахаров проводили по временам удерживания.
* Автор, с которым следует вести переписку.
С целью более полного извлечения сахаров в работе рассмотрены различные варианты гидролиза вегетативной части топинамбура. Облагораживание гидролизата, исследование состава сусла и его сбраживание проводили по методикам, принятым в технологии гидролизных и микробиолигических производств [7].
Состав этилового спирта, получаемого при брожении топинамбурного сусла, определяли газохроматографически (ГЖХ) на приборе «Кристалл-2000 М», с пламенно-ионизационным детектором на капиллярной колонке 2В - FFAР, длиной 50 м, диаметром - 0,5 мм.
Обсуждение результатов
Химический состав вегетативной части топинамбура, как видно из таблицы 1, сложен и разнообразен.
Вегетативная часть топинамбура более чем на 45% представлена веществами, извлекаемыми горячей водой. Эти вещества на 60,5% состоят из простых сахаров (моно- и олигосахаридов), причем олигосахаридов содержится в 3,5 раза больше, чем моносахаридов.
Наряду с моно- и олигосахарами, как видно из таблицы 1, в вегетативной части топинамбура содержатся также и полисахариды (29,52%). Полисахариды не все гидролизуются одинаково. Легко гидролизуется 36%, а трудно - 64%.
Всего веществ углеводной природы содержится в вегетативной части топинамбура 57,87%, из них 67% приходится на долю легкодоступных.
Следует отметить, что целесообразность использования вегетативной части топинамбура определяется не только общим составом углеводов, но и количеством отдельных сахаров (табл. 2).
Водный экстракт представлен, как видно из таблицы 2, четырьмя сахарами, основная доля приходится на фруктозу 46,7% и глюкозу 34,4%.
Гидролизаты легкогидролизуемых полисахаридов содержат шесть сахаров. Преобладающим сахаром в них является фруктоза (85,4%).
Гидролизаты трудногидролизуемых полисахаридов на 94,3% представлены глюкозой, при незначительном содержании фруктозы.
Исследование основных характеристик вегетативной части топинамбура позволяет рекомендовать ее в качестве сырья для биохимической переработки. Исходя из результатов определения химического состава, с целью более полного извлечения веществ сахарной природы из вегетативной части топинамбура, процесс их извлечения проводили в несколько этапов.
Таблица 1. Химический состав вегетативной части топинамбура
Наименование показателя Содержание в % от а.с.в.
Зольные вещества 8,58
Вещества, экстрагируемые горячей водой, 45,28
в том числе:
моносахаров 6,10
олигосахаров 21,23
Всего сахаров 27,33
Легкогидролизуемые полисахариды 10,69
Трудногидролизуемые полисахариды 18,83
Сумма полисахаридов 29,52
Всего углеводов 57,87
Лигноподобные вещества 11,11
Таблица 2. Состав сахаров вегетативной части топинамбура
Наименова- Содержание, % от редуцирующих веществ (РВ)
ние сахара Водный экстракт Легкогидролизуемые полисахариды Трудногидролизуемые полисахариды
Глюкоза 34,4 3,9 94,3
Фруктоза 46,7 84,5 0,2
Манноза 1,5 0,5 5,5
Ксилоза - 1,3 -
Арабиноза - 8,8 -
Галактоза 16,3 0,9 -
На первом этапе для совмещения стадии извлечения моносахаридов и инверсии олигосахаридов проводили гидролиз вегетативной части топинамбура разбавленной минеральной кислотой. В данной работе в качестве катализатора реакции гидролиза была выбрана серная кислота, обладающая наибольшей каталитической активностью.
Условия гидролиза были следующие: гидролизующий агент - 1% Н^04, жидкостный модуль - 15, температура - 100 °С, продолжительность гидролиза контролировали по концентрации редуцирующих веществ (РВ).
Как показали результаты эксперимента, максимального значения концентрация редуцирующих веществ в растворе (1,88%) достигала при продолжительности процесса 120 мин. Выход РВ при этом составил 29,2%. Остаток после гидролиза содержал еще 21,8% полисахаридов, которые представлены на 80% трудногидролизуемыми полисахаридами и на 20% - гемицеллюлозами.
Поскольку полисахариды твердого остатка после низкотемпературного гидролиза в основном представлены трудногидролизуемыми, гидролиз их проводили в более жестких условиях, а именно: при повышенной температуре (150-170 °С). Гидролиз в жестких условиях, как показали результаты проведенных исследований, приводит не только к увеличению выхода РВ, но и также к увеличению содержания вторичных продуктов в гидролизате. Поэтому для предотвращения деструкции сахаров твердый остаток после низкотемпературного гидролиза был подвергнут двухступенчатому гидролизу при следующем режиме: температура гидролиза - 150 °С, продолжительность одной ступени - 30 мин, жидкостный модуль - 10, концентрация варочной кислоты - 1% Н^04.
Применение многоступенчатого гидролиза позволило увеличить общий выход редуцирующих веществ (с учетом РВ низкотемпературного гидролиза) до 44,2 %.
Для повышения концентрации РВ в гидролизате использовали батарейно-противоточный метод. В батарею объединены три аппарата-гидролизера. На первый, загруженный свежим сырьем, подавали гидролизат из второго аппарата (2,4-2,8% РВ) и кислые промывные воды с концентрацией редуцирующих веществ
0,13%. Гидролизат из третьего аппарата, с РВ 1,6-1,8% подавали вместо кислоты во второй. Гидролизат, отобранный из первого аппарата, имел концентрацию редуцирующих веществ 3,2-3,5%.
Для повышения биологической доброкачественности гидролизат охлаждали и нейтрализовали в две ступени, на первой ступени известковым молоком до рН 3,6 и на второй ступени аммиачной водой до рН 4,0-4,2. Облагороженный гидролизат, так называемое сусло, использовали в качестве субстрата для сбраживания.
Для установления биологической доброкачественности питательных сред в них определяли содержание истинных сахаров, олигосахаридов, бромируемых веществ, минеральных и органических кислот. Данные по составу сусла представлены в таблице 3, из которых видно, что сусло имеет благоприятный состав, так как содержит достаточно большое количество редуцирующих веществ, которые на 77,5% представлены истинными сахарами. Содержание бромируемых веществ, обладающих ингибирующим действием, невелико (0,06-0,08%). В анализируемом сусле содержание минеральных и органических кислот мало.
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 - 6 ч.
Результаты ранее проведенных исследований показали, что большое влияние на полноту сбраживания и содержание этанола в бражке оказывает концентрация дрожжей в сусле. Установлено, что при сбраживании сусла с концентрацией РВ 3-4% необходима концентрация дрожжей не менее 30 г/л, в пересчете на дрожжи 75%-ной влажности.
Результаты анализа показали, что выход спирта со 100 кг РВ сусла составляет 58,7-62,5 л, что в пересчете на исходное сырье составит 26,6-28,1 л со 100 кг а.с. м. вегетативной части топинамбура.
Из полученной бражки отгоняли спирт. Состав полученного спирта определяли с помощью газохроматографического анализа (табл. 4).
Следует отметить, что по физико-химическим показателям спирт, полученный из вегетативной части, соответствует ГОСТу 17299-78 «Спирт этиловый технический».
Таблица 3. Состав сусла вегетативной части топинамбура
Наименование показателей Содержание, %
Редуцирующие вещества 3-5
Истинные сахара 2,3-3,8
Бромируемые вещества 0,06-0,08
Минеральные кислоты 0,12-0,21
Органические кислоты 0,12-0,36
Таблица 4. Состав этилового спирта, полученного из вегетативной части топинамбура
Наименование компонентов Время удерживания, мин Содержание, %
Формальдегид 08:28 1,62Т0-2
Уксусный альдегид 08:50 2,64Т0-2
Этилацетат 09:55 0,91Т0-2
Метанол 10:56 42,74Т0-2
Этанол 11:36 96,20
Пропанол 14:30 13,76 -10-2
Х1 15:58 60,50 -10-2
Изобутанол 16:21 87,94Т0-2
Изоамиловый спирт 20:49 51,32Т0-2
Уксусная кислота 31:55 3,83Т0-2
Фурфурол 36:56 0,76Т0-2
Выводы
Изучен химический состав и установлено, что биомасса вегетативной части топинамбура содержит около 57% углеводов, в том числе половина из них водорастворимых, и 29,3% полисахаридов, а это в свою очередь позволяет использовать его в качестве сырья для получения углеводсодержащих субстратов.
Рассмотрены варианты извлечения углеводов. Показано, что более полное их извлечение, 79% от содержащихся в сырье, происходит только при кислотном гидролизе.
Предложены условия сбраживания сусла, полученного на основе гидролизатов: концентрация редуцирующих веществ 3-5%, рН 4-4,2, начальная концентрация дрожжей 33-35 г/л, температура процесса 3538 °С, продолжительность 8-10 ч.
Выход спирта составил 58,7-62,5 л со 100 кг РВ, что в пересчете на исходное сырье составит 26,6-28,1 л со 100 кг а.с.м. топинамбура.
Установлено, что спирт, полученный из вегетативной части топинамбура, соответствует ГОСТу 17299-78 78 «Спирт этиловый технический».
Список литературы
1. Рязанова Т.В., Чупрова Н.А., Богданов А.В., Шалина Ж.В., Дорофеева Л.А. Химический состав вегетативной части топинамбура и ее использование // Известия вузов. Лесной журнал. 1997. №4. С. 71-75.
2. Кахана Б.М., Аврамович В.В. Биохимия топинамбура. Кишинев, 1974. 88 с.
3. Дорофеева Л.А. Комплексная переработка вегетативной части топинамбура: автореф. дис... канд. техн. наук. Красноярск, 2000. 23 с.
4. Эйхе Э.П. Вопросы химии и биохимии топинамбура // Известия АН Латв. ССР. 1976. №3. С. 77-89.
5. Голубев В.Н., Пасько Н.М., Волкова И.В. Топинамбур - пищевой, биоэнергетический и экологосберегающий ресурс // Сельскохозяйственная биология. 2000. №1. С. 41-45.
6. Рязанова Т.В., Чупрова Н.А., Исаева Е.В. Химия древесины: учеб. пособие для студентов вузов. Красноярск, 1996. 358 с.
7. Емельянова И.З. Химико-технический контроль гидролизных производств: учебник для вузов. М., 1969. 368 с.
Поступило в редакцию 4 июля 2009 г.
