Технология подготовки растительного сырья для биоконверсии. Учебное пособие

исходного сырья. Даже небольшое превышение оптимального времени процесса приводит к значительному распаду моносахаридов и снижению выхода целевых продуктов.

Существенным недостатком высокотемпературных методов кислотного гидролиза растительного сырья является неизбежное образование фурфурола, 5-гидроксиметилфурфурола, левулиновой кислоты и других продуктов деструкции моносахаридов, снижающих биологическую доброкачественность гидролизатов. Значительная часть продуктов деструкции выводится с твердым остатком – лигнином. Показатель «выход общих РВ» для характеристики эффективности высокотемпературного гидролиза применять нельзя; определяют выход моносахаридов из сырья или от их потенциального содержания в сырье.

Процесс высокотемпературного гидролиза протекает в неизотермических условиях, так как продолжительность прогрева частиц сырья до температуры реакции сопоставима со временем гидролиза, а при прогреве щепы даже превышает продолжительность гидролиза. За это время в поверхностных слоях частицы гидролиз полисахаридов завершается и интенсивно протекает распад моносахаридов, в то время как во внутренней зоне глубина гидролиза не достигает оптимальных значений. В связи с этим для высокотемпературного гидролиза предпочтительно наиболее мелкодисперсное сырье.

Для практической реализации процессов высокотемпературного гидролиза необходима разработка высокопроизводительного и надежного в эксплуатации оборудования. Конструкционные материалы, применяемые при изготовлении такого оборудования, должны отличаться повышенной коррозионной стойкостью при жестких параметрах процесса – гидролиза.

Автогидролиз. Катализатором процесса является уксусная кислота, образующаяся в результате отщепления ацетильных групп гемицеллюлоз в условиях высокотемпературной обработки (200–240 °С) в присутствии воды (в жидком или парообразном состоянии). После выдерживания сырья при этих параметрах в течение 0,5–5,0 мин мгновенно сбрасывают давление (паровой «взрыв»); в результате декомпрессионного вскипания воды происходит разрыв частиц на тонкие волокна (дефибрирование) с частичным разделением гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина. При этом гемицеллюлозы почти полностью превращаются в растворимые моно- и олигосахариды и продукты их вторичных превращений, лигнин – в растворимую фракцию (в основном моно- и дифенолы) и нерастворимую фракцию с пони-

61

женной молекулярной массой. Продукты глубокой деструкции углеводов (в частности фурановые производные) частично конденсируются с лигнином. Целлюлоза при этом также претерпевает некоторые изменения (торцевой гидролиз кристаллитов). Скорость ферментативного гидролиза целлюлозы после такой обработки значительно возрастает в результате нарушения физической структуры сырья и частичного разрыва лигноуглеводных связей. Взрывной автогидролиз в настоящее время рассматривается как наиболее перспективный метод предварительной обработки растительного сырья перед его ферментативным гидролизом.

Автогидролиз может применяться для предварительной обработки различных видов сырья. Щепа древесины лиственных пород (в частности осины) подвергается паровому автогидролизу при 235 °С и давлении 4,34 МПа в течение 0,5–2,0 мин. После такой обработки древесины степень конверсии целлюлозы при ферментативном гидролизе достигает 85 %. Этим методом можно обрабатывать также растительные отходы сельскохозяйственного производства: рисовую шелуху (195 °С; 2,6 МПа), солому (190 °С) и др. Взрывной автогидролиз шелухи семян подсолнечника (200 °С; 6,9 МПа; 5 мин) обеспечивает превращение целлюлозы в глюкозу при ферментативном гидролизе за 24 ч на 68 % и за 72 ч на 80 %.

Предложены различные варианты двух- и трехстадийного автогидролиза с целью последовательного растворения полимерных компонентов растительного сырья, а также сочетание кислотных обработок и автокаталитических процессов.

2.2.4. Гидролиз растительного сырья концентрированными кислотами

Рассмотренные выше методы гидролиза разбавленными кислотами, а также автогидролиз обладают общим существенным недостатком: они не обеспечивают получение высокого выхода моносахаридов из гидролизуемого сырья. С целью повышения выхода целевой продукции продолжаются поиски экономически приемлемых вариантов гидролиза древесины и других видов растительного сырья концентрированными кислотами. Наиболее серьезной трудностью, сдерживающей практическое применение концентрированных кислот, является их повышенный расход по сравнению с гидролизом разбавленными кислотами. Для снижения расхода кислот необходима их регенерация с целью повторного использования либо резкое снижение модуля обработки – отношения массы кислоты к массе абсо-

62

лютно сухого сырья. Практическая реализация как того, так и другого направления достаточно сложна.

Гидролиз концентрированной серной кислотой. Основными преимуществами применения концентрированной H2SO4 по сравнению с ее разбавленными растворами являются:

–перевод полисахаридов растительного сырья в легкогидролизуемое состояние и получение в конечном счете высокого выхода моносахаридов;

–получение гидролизатов с высокой концентрацией углеводов и

сповышенной доброкачественностью;

–осуществление процесса при невысокой температуре без значительных энергозатрат;

–проведение процесса при атмосферном давлении, что облегчает его осуществление в аппаратах непрерывного действия.

В то же время при реализации этого процесса встречаются следующие трудности:

–высокий расход кислоты на единицу перерабатываемого сырья;

–необходимость равномерного распределения малого количества концентрированной кислоты между частицами гидролизуемого сырья;

–неполный гидролиз полисахаридов при обработке концентрированной кислотой;

–деструкция углеводов при повышении температуры процесса;

–необходимость предварительной сушки исходного сырья. Гидролиз древесных опилок влажностью 5–7 % проводится

75%-й H2SO4 при модуле 1,5 по моногидрату (по массе) при 50–55 °С. При этом предварительно подогретую до температуры реакции кислоту смешивают с сырьем в специальном смесителе и полученную смесь направляют на вальцовый гидролизаппарат непрерывного действия. В этом аппарате вследствие механического воздействия частицы сырья деформируются, кислота проникает в толщу гидролизуемых частиц и в результате получается пастообразная гидролизатмасса, содержащая продукты неполного гидролиза полисахаридов, лигнин и кислоту.

В связи с большим расходом кислоты при модуле 1,5 возникла необходимость ее утилизации. Для этих целей было предложено кислоту гидролизатмассы использовать для экстракции фосфора из апатитов с получением преципитата (дикальцийфосфата), применяемого в качестве удобрения или кормовой минеральной добавки. Необходимость утилизации кислоты привела к усложнению технологической

63

схемы, что явилось препятствием для ее практической реализации, несмотря на высокий выход моносахаридов из древесины.

Вчастности, после инверсии выход РВ составлял 62–65 % от массы абсолютно сухой древесины при концентрации сахаров в гидролизате 10–18 %.

Для сокращения расхода H2SO4 в Японии разработана технология гидролиза растительного сырья концентрированной H2SO4 с ее регенерацией («Hokkaido-process»). По этому методу предусматривается проведение гидролиза гемицеллюлоз древесины в отдельном ап-

парате разбавленной H2SO4 с последующей нейтрализацией пентозного гидролизата, выпаркой и сушкой углеводов, которые могут применяться в качестве кормовой добавки. Гидролиз целлюлозы проводит-

ся 70–80%-й H2SO4 при атмосферном давлении. Регенерацию H2SO4 осуществляют методом электродиализа на мембранах, избирательно

пропускающих молекулы H2SO4 и непроницаемых для сахаров. После концентрирования путем вакуум-выпарки кислота направляется на новый цикл гидролиза. Гидролизат подвергается инверсии при нагревании, охлаждается и разбавляется водой до концентрации гексозных моносахаридов, оптимальной для спиртовой ферментации. Наиболее трудным для практической реализации является узел регенерации

H2SO4 методом электродиализа, а также защита оборудования от коррозии.

Гидролиз соляной кислотой и HCl-газом. Соляная кислота – наиболее сильный катализатор реакции гидролиза полисахаридов.

Всвязи с этим предприняты обширные работы по гидролизу растительного сырья концентрированной соляной кислотой и газообразным хлористым водородом. В отличие от серной кислоты в связи с летучестью НСl возможна регенерация соляной кислоты.

ВЯпонии испытаны установки для гидролиза древесины по технологии Токийского университета. Предгидролиз проводят путем

предварительной пропитки древесины разбавленной НСl и H2SO4 при модуле 1–2 с ее нагревом острым паром. Целлолигнин пропитывают концентрированной НСl или обрабатывают HCl-газом при температуре менее 10 °С, при этом происходят адсорбция НСl и частичный гидролиз целлюлозы. Основная фаза гидролиза протекает в токе HCl-газа при 35–50 °С в течение 10–30 мин. При дальнейшем повышении температуры происходит регенерация НСl. Инверсия продуктов гидролиза до моносахаридов осуществляется путем нагрева разбавленных гидролизатов. По этой технологии возможно получение из 1 т древесины до 300 кг кристаллической глюкозы и до 100 кг кристалличе-

64

ской ксилозы, которая в результате гидрирования превращается в ксилит.

Гидролиз фтористым водородом. В последние годы резко возрос интерес к гидролизу растительного сырья газообразным и жидким фтористым водородом, который с высокой скоростью гидролизует и растворяет полисахаридные компоненты растительного сырья. При воздействии HF на полисахариды в качестве основных продуктов реакции образуются растворимые олигосахариды. Наряду с этим из продуктов деструкции древесины фтористым водородом выделены α-D-глюкопиранозилфторид, фториды лигнина, а также другие фторсодержащие низкомолекулярные соединения.

Процесс гидролиза растительного сырья с предварительной активацией полисахаридов HF-газом включает следующие стадии: 1) измельчение и высушивание сырья (например, соломы или древесины лиственных пород); 2) загрузку сырья в реактор, вакуумирование и подачу HF-газа; 3) повышение давления до атмосферного и сорбцию сырьем 32–40 % HF по массе; 4) гидролитическую активацию полисахаридов при 10–20 °С и при перемешивании в течение 1 ч; 5) удаление HF-газа из реактора путем его десорбции инертным газом (тетрахлорэтиленом С2С14) при 80–100 °С; 6) ступенчатую экстракцию твердого остатка горячей водой; 7) инверсию экстрагированных олигосахаридов в присутствии 0,6%-го раствора H2SO4 при 140 °С в течение 1 ч; 8) нейтрализацию гидролизата с помощью СаСО3 и осаждение сульфата и фторида кальция; 9) ионообменную очистку гидролизата; 10) ферментацию субстрата.

По этой технологии выход сбраживаемых сахаров достигает приблизительно 90 % от теоретически возможного; концентрация моносахаридов в гидролизате составляет около 10 %. Смесь HF и С2С14 разделяется путем дробной конденсации газов, степень регенерации HF достигает 98,7 %. Для повышения эффективности процесса возможно осуществление батарейного принципа при адсорбции и десорбции HF-газа. В качестве газа-носителя может использоваться воздух, азот, диоксид углерода.

Таким образом, низкотемпературный гидролиз растительного сырья концентрированными кислотами и газообразными галогеноводородами позволяет получить высокий выход целевых продуктов, в ряде случаев близкий к теоретически возможному. Однако технические, экономические и экологические трудности сдерживают практическую реализацию этих методов.

65

2.2.5.Ферментативный гидролиз

Вприроде существует большое количество микроорганизмов, продуцирующих ферменты, гидролизующие полисахариды до моносахаридов.

Ферментативный гидролиз растительного сырья в промышленных масштабах весьма перспективен. Основные положительные особенности ферментолиза:

– возможность проведения процесса при 40–50 °С без значительных энергетических затрат;

– специфичность ферментативного катализа, обусловливающая избирательный гидролиз гликозидных связей полисахаридов;

– отсутствие деструкционных превращений образующихся моносахаридов, что в принципе позволяет получить их выход, близкий

ктеоретически возможному.

Однако практическая реализация ферментативного гидролиза встречает серьезные трудности, связанные в первую очередь с особенностями кинетики этого процесса. Ферментативный гидролиз растительного сырья осложнен поликомпонентностью его химического состава и низкой реакционной способностью основного количества целлюлозы с высокоупорядоченной структурой. Ферментативный гидролиз – чрезвычайно медленный процесс, скорость которого зависит от химического состава растительного сырья, физического строения и надмолекулярной структуры клеточных стенок, определяющих доступность целлюлозных макромолекул действию ферментных систем.

Последовательность воздействия ферментов на целлюлозу следующая: крупные глобулярные макромолекулы ферментов проникают в межфибриллярное пространство, но не могут проникнуть в межмолекулярные области упорядоченных структур. Процесс начинается с поверхности, доступной действию ферментов, приводит к гидролитическому набуханию и растворению макромолекул целлюлозы и завершается гидролизом олигосахаридов до моносахаридов в гомогенной среде.

Для повышения реакционной способности целлюлозы необходимо снижение степени упорядоченности ее надмолекулярной структуры. В частности, мерсеризация целлюлозы сопровождается ее набуханием. При интенсивном механическом воздействии происходит частичная деполимеризация макромолекул и снижение степени их упорядоченности. Регенерированная из раствора целлюлоза имеет

66

неупорядоченную структуру макромолекул. Однако при сушке реакционная способность регенерированной целлюлозы снижается в связи с образованием вторичной упорядоченной структуры (процесс рекристаллизации).

Помимо особенностей надмолекулярной структуры целлюлозы, низкая скорость ферментативного гидролиза и невысокая глубина превращений этого полисахарида связаны с ингибированием целлюлолитических ферментов конечными продуктами реакции – глюкозой и целлобиозой. При ферментативном гидролизе растительного сырья стабилизирующее влияние оказывает также лигнин. Его влияние объясняется стерическим (экранирующим) воздействием, эффективной адсорбцией целлюлаз и их выведением из сферы реакции, а также непосредственной инактивацией ферментов. В связи с этим при создании эффективной технологии ферментативного гидролиза растительного сырья необходимо предусмотреть его предварительную делигнификацию.

На активность целлюлолитических ферментов ингибирующее влияние оказывают также низкомолекулярные ароматические соединения – фенол, гваякол, n-гидроксибензойная и ванилиновая кислоты, ванилиновый спирт, ацетованилон и другие соединения.

Глубина ферментативного гидролиза растительного сырья значительно увеличивается в результате предварительной активации полисахаридов методом взрывного автогидролиза, который проводят при 200–220 °С с резким снижением давления в конце обработки до атмосферного. В частности, при ферментативном гидролизе предварительно обработанной соломы с участием целлюлаз Trichoderma reesei выход редуцирующих сахаров достигает 50–75 % от исходного содержания полисахаридов в сырье. В процессе предварительной обработки необходимо прежде всего разрушить первичную клеточную оболочку и внешний слой вторичной оболочки и тем самым нарушить экранирующую сетку лигнина. Влияние этих факторов на скорость ферментолиза более значительно, чем степень упорядоченности целлюлозных макромолекул.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте сравнительную характеристику ресурсов различных видов растительного сырья и укажите основные особенности химического состава пентозансодержащего сырья и древесины хвойных пород.

67

2.Какие требования к сырью предъявляет гидролизная промышленность с учетом выпускаемой продукции?

3.Дайте сравнительную оценку различных способов перколяционного гидролиза.

4.Укажите основные преимущества и недостатки гидролиза

ваппаратах непрерывного действия.

5.Каковы особенности кинетики гидролиза легко- и трудногидролизуемых полисахаридов в двухстадийных методах гидролиза?

6.Оцените различные методы высокотемпературного гидролиза.

7.Перечислите основные преимущества и недостатки гидролиза растительного сырья концентрированными кислотами.

8.Оцените перспективу практической реализации ферментативного гидролиза древесного сырья.

68

3.ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ СУБСТРАТА

КБИОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ

Врезультате гидролиза растительного сырья образуется реакционная смесь коричневого цвета со специфическим запахом, которая называется гидролизатом. Этот основной полупродукт производства приблизительно на 95 % состоит из воды, сухие вещества составляют около 5 %. Получаемый гидролизат непригоден для проведения биохимических процессов, так как имеет высокую температуру, высокую кислотность, значительную концентрацию токсичных компонентов, недостаточное содержание источников минерального питания для микроорганизмов.

Технологическая схема получения субстрата для биохимической переработки включает: 1) предварительное охлаждение гидролизата самоиспарением; 2) инверсию олигосахаридов; 3) нейтрализацию серной и части органических кислот; 4) отстаивание образовавшегося осадка; 5) обогащение субстрата неорганическими питательными веществами; 6) дополнительное охлаждение; 7) коагуляцию лигногуминовых веществ путем аэрации и их отстаивание; 8) разбавление субстрата.

Типовой набор методов подготовки гидролизата для биохимической переработки может быть дополнен рядом новых технологических приемов, повышающих биологическую доброкачественность субстрата.

3.1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ГИДРОЛИЗАТА

Эффективность биохимических процессов в значительной степени зависит от состава субстрата. Химический состав влияет на доброкачественность полупродуктов, причем различают химическую доброкачественность (по относительному содержанию целевых про-

дуктов) и биологическую доброкачественность.

При биохимической переработке субстратов определения химической доброкачественности недостаточно, так как дрожжи ассимилируют наряду с моносахаридами содержащиеся в гидролизате органические кислоты и неорганические вещества. В то же время токсичные ингибиторы биохимических процессов, содержащиеся в следовых количествах и не оказывающие влияния на величину химической доброкачественности, могут существенно замедлить или полностью остановить протекание процессов жизнедеятельности микроорганизмов.

69

Всвязи с этим в дрожжевом производстве широко применяют понятие биологической доброкачественности. Об относительной биологической доброкачественности субстратов судят по величине выхода биомассы дрожжей в сопоставимых условиях. В качестве субстрата для сравнения может быть использована синтетическая питательная среда или очищенный гидролизат с известной характеристикой.

Всостав гидролизатов входят органические вещества, которые по своему происхождению можно разделить на несколько групп: продукты гидролиза полисахаридов (моносахариды, уроновые кислоты, уксусная кислота); продукты неполного гидролиза полисахаридов (олигосахариды); продукты деструкционных превращений моносахаридов (фурановые производные и др.); низкомолекулярные фракции лигнина, фенольные вещества; экстрактивные вещества древесины.

Основные компоненты гидролизата относятся к следующим группам химических соединений:

– углеводы (моносахариды и олигосахариды);

– органические кислоты (алифатические монокарбоновые низшие и высшие, дикарбоновые и др.);

– аминокислоты;

– кислородсодержащие алифатические производные углеводо-

родов C1–С6 (спирты, кетоны, эфиры, альдегиды);

– гетероциклические соединения фуранового типа;

– ароматические соединения (фенолы, n-цимол, лигнаны, танниды);

– терпеновые углеводороды и терпеноиды;

– высокомолекулярные соединения (лигногуминовые вещества, растворенный и мелкодисперсный лигнин);

– неорганические соединения (H2SO4, зольные вещества сырья и продукты их взаимодействия с кислотой).

Качественный состав и количественное содержание различных компонентов гидролизата главным образом зависят от химического состава исходного растительного сырья и технологических параметров процесса гидролиза.

Наиболее важными компонентами гидролизата являются моносахариды, общее содержание которых непостоянно и изменяется от 1,7 до 3,5 % в зависимости от режима гидролиза и вида перерабатываемого сырья. При гидролизе древесины хвойных пород доля гексозных сахаров в гидролизатах (D-глюкозы, D-маннозы, D-галактозы) составляет 80–90 %, а при варке древесины лиственных пород – около

70