CC BY
15УДК 615.322
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БИОЭТАНОЛА ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ
Горьков А.А., студент 4 курса направления подготовки «Биотехнология» Научный руководитель: к.с.-х.н., доцент Гагарина И.Н. ФГБОУ ВПО Орел ГАУ
АННОТАЦИЯ
Предложена технология биоэтанола из зеленой массы топинамбура с измененными параметрами гидролиза для увеличения выхода сахаров и спирта на 10 % при брожении 24 часа. Отходы данного производства позволят получить дополнительный продукт -пробиотическую кормовую добавку.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Биоэтанол, топинамбур, пробиотическая кормовая добавка. ABSTRACT
The technology of ethanol from Jerusalem artichoke green mass with modified parameters of hydrolysis to increase the yield of sugars and alcohol by 10% at fermentation for 24 hours. Waste of this production will provide additional product - a probiotic feed additive.
KEY WORDS
Bioethanol, Jerusalem artichoke, probiotic feed additive.
В настоящее время стоит актуальная задача поиска альтернативных источников энергии и внедрения энергосберегающих технологий. В последнее время вновь возрос интерес к производству спирта из непищевого сырья. Орловская область обладает достаточной сырьевой базой - значительным потенциалом для развития производства биоэтанола. Причем биоконверсия возобновляемого растительного сырья входит в число Государственных программ по биотехнологии на период до 2020 г.
Выбор топинамбура как сырьевого источника не случаен. Достаточно высокое содержание сбраживаемых сахаров и их эффективность превращения (до 90%) позволяет получать из клубней до 6 т/га биоэтанола, из наземной массы - до 4 т/га. То есть, 1 га посевов топинамбура обеспечит получение 10 тонн спирта, что, в свою очередь, превышает в 8-15 раз выход спирта при переработке сахарной свеклы, картофеля, пшеницы.
По оценкам экспертов, потребность в этаноле, который бы использовался в качестве добавок к бензину, составляет около 1% объема производства бензина.
В связи с этим актуальным является разработка технологии биоэтанола второго поколения из топинамбура, так как позволит наиболее полно использовать биоресурсы региона, улучшит экологическую обстановку, будет способствовать развитию депрессивных территорий, созданию новых рабочих мест.
Целью является получение энергии из биомассы и пробиотической кормовой добавки на основе барды.
Технический результат - снижение использования культур продовольственного назначения в качестве исходных компонентов для получения биоэтанола. В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Изучить химический состав зеленой массы топинамбура, произрастающего в Орловской области;
2. Разработать режимы получения гидролизатов из топинамбура сорта Интерес;
3. Изучить режимы получения спирта сырца из топинамбура сорта Интерес и определить его выход;
4. Исследовать состав отходов биотехнологической переработки топинамбура для получения другой полезной продукции: кормовых добавок и удобрений.
33
Практическая значимость работы заключается в том, что проведенные исследования позволяют эффективно использовать растительное сырье для получения биоэтанола, пробиотической кормовой добавки и другой ценной продукции, совершенствовать технологию утилизации отходов растительного происхождения.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории биотехнологии и молекулярной экспертизы ОрелГАУ. В качестве объекта исследования служила овощная культура топинамбур сорта Интерес.
Результаты и их обсуждение
Технические возможности производства этанола из топинамбура заключаются в наличии сырья и возможностей увеличения его производства. Достоинством данной культуры является его высокая урожайность (клубни до 500 ц/га и 1000-1200 ц/га зеленой массы), неприхотливость к погодным условиям и почвам и упрощенная агротехника. Как показывают исследования, химический состав зеленой массы варьирует и от года урожая, и от агротехники, и от фазы развития растения. В таблице 1 приведены компоненты состава топинамбура сорта Интерес.
Таблица 1 - Химический состав зеленой массы топинамбура сорта Интерес,
% от сухого вещества
Показатели Фенофаза развития растения
Стеблевание Бутонизация Полное цветение
Сухое вещество 22,14±0,16 18,62±0,19 18,90±0,31
«Сырой» протеин 30,71±0,10 26,14±0,21 17,12±0,11
Клетчатка 21,94±0,27 37,67±0,58 28,87±0,39
Жир 5,78±0,09 6,72±0,18 6,36±0,19
Зольность 19,94±0,14 14,64±0,21 16,51±0,23
Редуцирующие сахара 4,99±0,03 6,38±0,09 4,22±0,06
Лигнин 16,64±0,33 18,45±0,22 26,92±0,12
Анализ химического состава наземной части, в зависимости от фазы вегетации показал, что наиболее привлекательным для сбора сырья является фаза бутонизации, отличающаяся максимальным содержанием редуцирующих сахаров - это 6% и запасом клетчатки до 37%, собственно для чего мы и проводим гидролиз.
В таблице 2 приведены компоненты химического состава клубней топинамбура сорта Интерес.
Таблица 2 - Химический состав клубней топинамбура сорта Интерес,
% от сухого вещества
Показатели Значение показателя
Сухое вещество 26,13±0,16
«Сырой» протеин 6,00±0,06
Клетчатка 8,82±0,14
Жир 1,14±0,17
Зольность 3,39±0,22
Редуцирующие сахара 75,86±0,15
Лигнин 4,79±0,07
Интересно отметить, что в результате 40 минутного гидролиза с фосфорной кислотой при гидромодуле 2500:300 можно получить до 9% сахаров в гидролизате, или в пересчете на сухое вещество до 76%, что аналогично содержанию в клубнях (табл. 2)
Результаты гидролиза зеленой биомассы топинамбура представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты кислотного гидролиза зеленой биомассы топинамбура
Режим гидролиза Гидромодуль рН Характеристика гидролизата
Содержание общего сахара, % Массовая концентрация общего экстракта, г/100см3 Сухое вещество, %
1 атм, 40мин+Н3РО4 2500:200 3,21 6,8 7,476 4,5
1 атм, 40мин+Н2SО4 2500:200 2,98 6,2 8,772 4,4
1 атм, 40мин+Н3РО4 2500:260 3,20 8,02 7,83 6,1
1 атм, 40мин+Н3РО4 2500:300 3,21 9,2 7,653 7,0
1 атм, 40мин+1н Н2SО4 2500:200 5,53 4,2 9,066 3,8
Таким образом, дальнейшие стадии технологии спирта можно объединить, что позволит сократить количество энергозатрат при достаточно высоком выходе конечного продукта и качества.
Для сбраживания сусла использовали промышленные штаммы дрожжей Бас^аготусев сегеу1в1ае. Процесс брожения проводили в анаэробных условиях.
Количество живых клеток дрожжей контролировали посуточно. Максимальное их количество выявлено в первые сутки брожения (табл. 4)
Таблица 4 - Численность клеток дрожжей Sacharomyces cerevisiae при культивировании на гидролизате из зеленой массы топинамбура
Продолжительность сбраживания сусла, час Количество живых клеток дрожжей, млн/мл
24 455
48 255
72 195
Выход спирта тоже за этот период максимальный - 75%, крепостью 890.
Предварительные результаты анализа спирта, полученного из топинамбура, позволяют надеяться, что при использовании высокопродуктивных спиртосбраживающих рас дрожжей и стандартизированного оборудования для ректификации спирта, по предлагаемой нами технологии можно получить высококачественный этиловый спирт пригодный для энергетической, пищевой, химической, медицинской, фармацевтической промышленности.
В ходе разработки технологии были также определены основные компоненты питательной ценности отходов производства и выявлено, что послеспиртовая барда содержит в своем составе достаточно высокое количество белка и клетчатки.
Поэтому есть все основания на ее основе производить пробиотические кормовые добавки для КРС. Такой подход в технологии переработки послеспиртовой барды топинамбура позволит снизить эколого-экономический ущерб от загрязнений водных объектов на 62,2 %.
Выводы
1. Установлено, что топинамбур сорта Интерес, культивируемый в Орловской области, представляет собой ценное сырье для биотехнологических производств, в том числе и для производства биоэтанола. Зеленая масса растения накапливает до 6-7% редуцирующих сахаров и до 34-38% безазотистых экстрактивных веществ.
2. Определено, что наиболее эффективными режимами гидролиза зеленой массы топинамбура с. Интерес, при котором в гидролизате с Н3Р04 накапливается наибольшее количество общего сахара (76% в пересчете на сухое вещество), являются параметры: давление 1 атм, время выдержки 40 мин, гидромодуль 2500:300.
3.Установлено, что выход биоэтанола составляет 75%, крепостью 890.
Библиография
1. Александрова, М. М. Разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии этанола из топинамбура / М. М. Александрова. : автореф. дис. да соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - М., 2009. - 138 с.
2. Бархатов, В. Ю. Способ гидролиза инулина топинамбура / В. Ю. Бархатов, Э. И. Мамедова, В. С. Рубан // Известия вузов. Пищевая технология. 2008. - № 2-3. -С.48-49.
3. Голубев, В. Н. Биотехнологические аспекты переработки топинамбура / В. Н. Голубев, В. Л. Куев, Н. И. Гончаров // Пищевая промышленность. - 2011. - № 9. - С. 52-53.
4. Лоскутова, Е. Н. Производство биоэтанола из жома сахарной свеклы / Е. Н. Лоскутова, Н. Е. Павловская, И. Н. Гагарина // сб. науч. статей по итогам междунар. науч.-практ. конф. (27-28 февраля 2014 г.). - СПб ин-т проектного менеджмента. : Изд-во «КультИнформПресс», 2014.
5. Результаты биоконверсии отходов сельскохозяйственного производства методом глубинной ферментации / Павловская Н. Е. [и др.] // VII Московский междунар. конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития». - Москва, 2013, Ч. 1.
