ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КУКУРУЗНЫХ КОЧЕРЫЖЕК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Б И О Л О Г И Ч Е С К И Е

НАУКИ

УДК 663.1

Г.Р. Гильманова, А. Ф. Мухаметдинова, Т.В. Семакина, Р.Т. Валеева

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КУКУРУЗНЫХ КОЧЕРЫЖЕК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ

В данной работе рассматривается возможность использования ферментализатов на основе кукурузных кочерыжек в производстве ценных биотехнологических продуктов, как биотоплива. Полученные экспериментальные данные (прирост оптической плотности) свидетельствуют о возможности использования ферментализатов кукурузных кочерыжек в производствах биотоплива.

Ключевые слова: кукурузные кочерыжки, предварительная обработка, культивирование, спиртовые дрожжи, биотопливо, оптическая плотность.

В последние годы, в связи с ростом цен на традиционное углеводородное топливо, истощения запасов нефти и ухудшения экологической ситуации в мире все больше внимания уделяется поиску альтернативных источников энергии, способных достойно заменить нефтяное топливо. Одним из решений этой проблемы является использование топлива из возобновляемого сырья - биотоплива [1, 2].

Биоэтанол, получаемый в результате биодеградации ежегодно возобновляемого растительного субстрата, как кукурузные кочерыжки является ценным продуктом, который находит самое широкое применение в различных отраслях народного хозяйства: в пищевой и химической, в кондитерской и вино-водочной промышленности. В то же время проблема снижения выпуска и удорожания процессов нефтедобычи позволяет рассматривать перспективность использования этанола, получаемого из растительного сырья, в качестве компонента топлива [3].

Однако целлюлозная биомасса более устойчива к расщеплению, сложность ее преобразования в биотопливо делает технологию переработки более дорогостоящей, для уменьшения затрат необходимо

© Гильманова Г.Р., Мухаметдинова А.Ф., Семакина Т.В., Валеева Р.Т., 2021.

ISSN 2223-4047

Вестник магистратуры. 2021. № 1-2(112)

подбор эффективных и экономических способов по переработке целлюлозы в этанол: расщеплению целлюлозных и гемиоцеллюллозных компонентов до сахаров и процессов культивирования спиртовых дрожжей с использованием гидролизатов и ферментализатов для получения биоэтанола [1].

Одной из самых ведущих высокоурожайных сельскохозяйственных культур во многих странах мира является кукуруза. При переработке которой образуются органические отходы и вторичные сырьевые ресурсы в виде кукурузных початков, которые в основном используются в качестве корма для животных [4,5]. Кукуруза превосходят многие зерновые культуры в производстве биомассы, является сырьем для производства биотехнологических производств, как топливо [2].

Кукурузные кочерыжки состоят в основном из 41,27% целлюлозы, 46% гемицеллюлозы и 7,4% лигнина, из которых синтезируется этанол. В состав кукурузных кочерыжек могут входить органические соединения: уроновая кислота и ацетильные группы и микрокомпоненты: минералы, воски, жиры, крахмалы, смолы и камеди [2,4]. От соотношения основных компонентов полисахаридов в сырье зависят особенности технологической схемы, себестоимость продукта, количество образующихся отходов производства и их состав [3].

С целью предотвращения образования большого количества отходов и переработки их в лаборатории «Инженерных проблем биотехнологии» КНИТУ, проводятся экспериментальные исследовательские работы, по предварительной обработке отходов возобновляемого растительного сырья, получения гидро-лизатов и ферментализатов на их основе и оценке возможного использования для производства биотехнологических продуктов. Проводятся работы по оценке возможного использования кукурузных кочерыжек в процессах культивирования спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae [6]. Перед проведением процессов культивирования проводилась предварительная обработка кукурузных кочерыжек: измельчение до размеров 1 -3 мм и затем для уничтожения возможной субстратной микрофлоры просушивали в сушильном шкафу. После предварительной обработки кукурузных кочерыжек проводили как кислотный гидролиз минеральными кислотами, так и ферментативный гидролиз. Ферментативный гидролиз проводили ферментативным целлюлазным комплексом. Далее процессы культивирования спиртовых дрожжей с использованием полученных ферментализатов вели в качалочных колбах объёмом 750 мл на шейкере Climo-Shaker ISF1-X с рабочим объемом питательной среды 150 мл, при температуре 30°С и 100 об/мин в течение 24 часов. В ходе проведения процессов культивирования спиртовых дрожжей, как и во всех биотехнологических процессах для правильного ведения процессов и поддержания оптимальных параметров отбирались пробы и вели контроль технологических параметров, как активная кислотность среды, рост биомассы (по оптической плотности) с использованием фотоэлектроколориметра КФК-3-«30М3», содержание редуцирующих веществ по методу Бертрана [7]. Начальная концентрация редуцирующих веществ составляла 2% масс. в конце процессов культивирования концентрация редуцирующих веществ составила 0,2-0,3% масс., т.е сахара, содержащиеся в ферментализате кукурузных кочерыжек полностью потребились. Процессы проводили в трех проворностях, обработку полученных результатов вели в среде табличного процессора Excel®. Экспериментальные данные оптической плотности представлены на рисунке 1, а прирост оптической плотности спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae с использованием ферментализатов кукурузных кочерыжек составил 1,133 ед. ОП.

Из анализа полученных результатов следует, что кукурузные кочерыжки можно использовать как источники сырья для производства биотехнологических продуктов как биотопливо.

1,400

и 1 I 1,000

о л ®

И н 0 0,800

s g S 0,600

е F I

5 g ^ 0,400

—' tri ____

щ 2 1,200 S н ? 1 Г1Г1Г1

В 0,200 0,000

о

4

8

12

Время роста, час

16

20

24

Рис. 1. Экспериментальные данные оптической плотности

Библиографический список

1. Василевкин, Е.В Сырье для производства биоэтанола. Технология производства, перспективы / Е.В. Василевкин, Д.В. Апелинский, В.Н. Егоров // 77-я международная научно-техническя конференция ААИ «автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», 2011. - С. 36-42.

2. Kemp, L. Cellulose ethanol from тот stover: Can we get it right? / L. Kemp // Natural Resources Defense Council. - 2015. - 26 р.

3. Винаров, А. Ю. Безотходная биотехнология этилового спирта: монография / А. Ю. Винаров, А. А. Кухаренко, Н. Е. Николайкина. - 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2019. - 217 с.

4. Wanitwattanarumlug, B. Characterization of тот Cobs from Microwave and Potassium Hydroxide Pretreatment / B. Wanitwattanarumlug, A. Luengnaruemitchai, S. Wongkasemjit // International Journal of Chemical and Biological Engineering. - 2012. - № 6. - Р. 354-358.

5. Валеева, Р.Т. Кукурузные кочерыжки как перспективное сырье для биотехнологических производств: монография / Р.Т. Валеева, О.В. Ананьева, С.А. Понкратова, М.Ю. Шурбина, Э.И. Нуретдинова // Казань: Из-во Казан. гос. технол. ун-та, 2018.- 144с.

6. Гильманова, Г.Р. Возобновляемые виды сырья в производстве спирта / Г.Р. Гильманова, А.Ф. Мухаметди-нова, Э.И. Нуретдинова Р.Т. Валеева // Международная научно-практическая конференция «Внедрение результатов инновационных разработок: проблемы и перспективы». - Магнитогорск: OMEGA SCIENCE, 2020. - С. 12-14.

7. Мухаметдинова, А.Ф. Отходы агропромышленного комплекса в производстве спирта / А.Ф. Мухаметдинова, Г.Р. Гильманова, Э.И. Нуретдинова // Научно-издательский центр «Аэтерна», 2020. - С. 6-7.

ГИЛЬМАНОВА ГУЗЕЛЬ РАФАЭЛЕВНА - магистрант, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия.

МУХАМЕТДИНОВА АЙЗАРА ФАРИЛОВНА - магистрант, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия.

СЕМАКИНА ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА - магистрант, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия.

ВАЛЕЕВА РАУЗА ТИМУРОВНА - кандидат технических наук, доцент, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Россия.