автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Исследование и разработка дифференцированного способа получения этанола из зернового сырья с использованием целлюлаз

Р Г Б ОД

гГ:

ВСЕРОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ (ВНИИПБТ)

На правах рукописи

ГУБРИЙ ГЕННАДИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЭТАНОЛА ИЗ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЕЛЛЮЛАЗ

Специальность 05.18.07. - Технология продуктов брожения, алкогольных н безалкогольных напитков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1994

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательской институте пищевой биотехнологии и на Лужковском заводе АО "Туласпирт"

Науяный руководитель - кандидат технических наук

профессор П.Я.Бачурин

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор Мосичев М.С. - доктор биологических наук профессор Жеребцов H.A. Водущая организация - Мичуринский экспериментальный завод

Защита диссертации состоится " 14 " октября 1994 г. в Ю

часов на заседании специализированного совета К 020.63.01 во Всерос сийском научно-исследовательском институте пищевой биотехнологии (БНИИПБТ) по адресу: 109033, Москва, ул. Самокатная, 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИЙПБТ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, прс ба направлять по адресу: 109033, Москва, ул. Самокатная,46 ВНИИПБТ. Ученому секретаря Специализированного Совета

Автореферат разослан " 14 " сентября_ 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук

И.Й.БурачевскиЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Проблема острого дефицита зерна, требующегося спирт« >9 отрасли для производства пищевого этанола, обуславливает необходн-1сть не только изыскания новых полноценных источников сырья, но и радиальной переработки традиционных зерновых культур с привлечением значи-:льного количества некондиционного и высокопленчатого зерна.

Известно, что в состав сухих веществ зерна, наряду с крахмалом, :одят полисахариды квкрахмалистной природы, представляющие собой поте! :альные источники глюкозы - целлюлоза,р - глюканы, гемицеллюлозы и пр. | настоящего времени эти углеводы практически не участвуют в процессе работки этанола, оставаясь ценным резервом спиртового производства.

Сложность использования некрахмалистых полисахаридов заключается в сутствии как продуктивного способа их трансформации в сбраживаемые щестза, так и технологии промышленной переработки, хотя усилиями отэ-ственных и зарубежных ученых определены отдельные подходы к их утили-ции.

' В этой связи представляет значительный научный и практический терес разработка высокоэффективных способов конверсии некрахмалистых лисахаридоз сырья в требуемые продукты при одновременном увеличении эффициента использования других групп углеводов зерна.

Цель настоящей работы заключается в повышении выхода этанола из зер-, применяемого в практике спиртового производства, за счет дифференци-ванной подготовки крахмала и накрахмалистых углеводов к сбраживанию привлечением, комплекса специфических ферментных систем в том числе илюлаа.

Б соответствии с поставленной задачей исследования проводились в эдующих направлениях:

- изучение условий фракционирования зерна для его разделения на ана-шческиз составляющие, представленные преимущественно двумя фракциями: {рахмалистой; целлюлозосодеряащей;

- исследование кинетики биоконзерсии углеводов целлюлозосоде^жащих жций комплексом цаллюлолитических .препаратов;

- выявление основных закономерностей процесса биотрансформации не-щлалистых полисахаридов фракционированного измельченного зерна-в обра' ¡аемые углеводы;

- изучение влияния ферментативного гидролиза накрахмалистых лолиса-шдов на выход спирта из фракционированного измельченного зерна;

- исследование'.режимов дифференцированной переработки крахмалистых

и целлюлозосодержащих фракций измельченного зерна при производстве спирта;

- разработка аппаратурко-технологической схемы производства этанол из фракционированного измельченного зерна;

- подготовка нормативно-технической документации на разрабатываем способ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Проведены исследования по разделению на составные части зерна, перерабатываемого в спиртовой промышленности. Установлен условия фракционирований зерна по анатомическим составляющим и выделе фракции, цредставленные крахмалом и некрахмалистыми углеводами.

Изучены способы специфической подготовки фракций различных видо! зерна к знзиматическоыу гидролизу.

Подобраны наиболее полноценные и сбалансированные по составу главных и сопутствующих компонентов ферментные препараты цоллюлаз, отвечающие требованиям спиртового производства.

Определены важнейшие закономерности биокоиверсии углеводов фрак; в сбраживаемые продукты, обеспечивающие высокую степень трансформацш целлюлозы и других некрахмалисткх полисахаридов.

Показано, что в результате проведения эффективной биоконверсии кекрахмалистых углеводов целлюлозосодержащих фракций зерна, создаете! условия для более полного использования сухих зеществ сырья и увели-кия выхода спирта.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Впервые з спиртовом производстве осущ< злено ~фракционирование зерна, на основании которого разработан спос< дифференцированной переработки на этанол крахмала и некрахмалистых т лисахарядов сырья.

Установлены технологические реаимы водно-тепловой и фарментативн-подготовки целлюлозосодеряащих и крахмалистых фракций зерна к сбра: ванию.

Для осуществления активного процесса биоконверсии углеводов фракций даны рекомендации по использованию ферментных препаратов амилолитиче-кого ицеллюлолитического действия, которые выпускаются в промышленн масштабе.

Разработана аппаратурно-технологическая схема дифференцированной переработки фракционированного сырья на зтанол, которая смонтирована Лужковском заводе АО "Туласпирт".

Разработан опытно-промышленный регламент на производство спирта фракционировании зернового сырья ц использовании препаратов целлюлаз

Экономический эффект от внедрения на Лужковском заводе диффзренп способа подготовки сырья к сбраживанию обеспечивается увеличением вы

;а спирта на 2,7-3,0%, что з год составляет около 30000 дал дополни-ельного спирта.

| целом разработанный способ оригинален, что подтверждено патентом.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Предлагаемый способ дифференцированной подготс :и фракционированного сырья к сбраживанию был испытан на Лунковском за-оде, о чем свидетельствует ант испытаний.

Материалы диссертации докладывалисв:

- на Ученом Совета ВНИИ. . пищевой биотехнологии (1989 г. протокол '26);

- на семинаре в Миннауки РФ " 0 ходе выполнения важнейших государ-твенных научно-технических программ" (Москва, 19931);

- на годичном собрании Российской Академии сельскохозяйственных на-к (Москва, 1994 г.);

- на президиуме Ученого Совета ВНИИ пищевой биотехнологии (1994- г. ротокол № 15);

- на заседания коллегии Минауки РФ " Государственные научно-техниче ие программы производств в перерабатывающих отраслях АПК" (Москва, I99

ПУБЛИКАЦИИ. По материален диссертации опубликованы две статьи

журналах, получен один патент и приняты на депонирование два научных тчета Воронежского технологического института и" ВНИИ пищевой биотех-ологии.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 112

границах машинописного текста, включает 22-таблицы,, IX рисунков и . остоит из введения, литературного обзора, 9 глаз экспериментальной час и, заключения, выводов и списка литературы из 210 наименований, а так е приложений. ...

Во введении обоснована астуальность теш диссертационной работы, сфо улирсванк ее цель и задачи.

В литературном обзоре проведен анализ отечественных и зарубежных пу лкаций, посвященных вопросам характеристки сырья, используемого для элучения спирта, биоконверсии различных целлюлозосодержащих раститель ¿х субстратов и их этанольной ферментации.

В первой главе экспериментальной части рассмотрены материалы и ме-эды исследования, используемые в работе.

Во второй главе представлены результаты сравнительного анализа.сос-1ва углеводов зерна, перерабатываемого на опиртзаводах России.'

В третьей главе показано влияние состава фракций измельченного зер-1 на показатели выхода спирта.

В четвертой глаье приведены данные исследования по разделению зерн на анатомические составляющие и определены условия процесса фракциони рования.

Пятая глава посвящена изучению кинетики биоконверсии полисахаридов целлюлозосодержаикх фракций различных видов зерна и подобраны ферментные препараты, активно осущеетвляющие гидролиз целлюлозы.

В шестой главе приведены результаты по влиянию ферментативной конверсии на выход спирта из цвллюлозосодераащих фракций зерна.

В главе седьмой дана оценка различных режимов переработки крахмалистых и целлюлозосодеркащих фракций сырья при их подготовке к с<5раки1 ни», на основании чего выбраны резшмы, специфические для каждой фракцн

В главе восьмой представлена разработка аппаратурно-технологическс схемы дифференцированной переработки фракционированного сырья для полз чения этанола.

Е главе девятой приведены данные производственных испытаний разрас тайного способа.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Характеристика зернового'сырья, применяемого для производства этанола

На спиртовых заводах России в последние годы наиболее часто приые няются для производства этанола такие виды зерна как пшеница, рожь,ячмень. Для повышения эффективности их переработки, свяэаной с утшшзаци полисахаридов некрахмалистой природы, представлялось целесообразным рз работать специфические технологические приемы, направленные на юс акти ное включение в процесс биосинтеза спирта.

В этой связи было проведено уточнение состава углеводов различи партий зерна, поступающих на.спиртовые предприятия РФ. Кроме названных культур для- сравнения анализировались кукуруза, овес и просо.

Установлено, чтя содержание целлюлозы в зерне колеблется от 10,05% (овес) до 1,6$ (кукуруза), в ячмене, пшенице и ржи соответственно 4,16 2,0%.

Гешщеллюлоза преобладает в овсе - 14,71%, в ячмене и рай ее коли чество составляет 10,23% и 8,79%, в пшенице около 5%.

Максимальное содержание р - глюкана зафиксировано в ячмене- 2,12$, несколько меньше во ржи и пшенице - 1,82-1,51$.

Таким образом, в главных зерновых культурах (пшеница, ячмень-,рожь] присутствует значительное количество некрахмалистых полисахаридов, которые,являясь потенциальными 'источниками глюкозы, служат резервом для повышения выхода спирта.

Сложность утилизации некрахмалнстых углеводов зерна, и в первую очередь целлюлозы, объясняется особенностями их строения и физико-химическими свойствами, которые резко отличаются от крахмала и требуют нетрадиционных условий переработки.

Характеристика фракций измельченного зерна

Известно, что целлюлоза, гемицеллюлоза локализованы в покровных оболочках зерна ив алейроновом слое, т.е. тех частях зерна, которые отличаются высокой прочностью.

В спиртовом производстве критерием оценки степени подготовки зерна к технологическому процессу является степень измельчения, которая определяется данными гранулометрического состава продуктов помола

В условиях эксперимента объектом исследования служило зерно злаковых культур, измельченное в заводских условиях на молотковых дробилках в соответствии с требованием спиртового производства до 70-80%-гс прохода через ситс с диаметром отверстий 1,0 мм. Затем полученный помол ячменя, пшеницы, ржи'и кукурузы разделялся по размеру частиц на рассеве РА-3 М с набором сит от 0,5 до 3,0 гш, после чего анализиро-. вался их гранулометрический состав.

Массовый состав фракций промышленного помола зерна по гранулсмет-' рическим показателям приведен на рисунке I ка примере пшеницы.

Последующее исследование углеводного состава фракций помола показало, что в крупной и средней фракциях преобладают целлюлоза (18,8 и 10,6%) и гемйцеллюлоза (31,4 и 24,8%) ка фоне высокого содержания крах мала, тогда как в других фракциях основным полисахаридом является крах йал, а иекрахмалистые углеводы представлены на уровне 3,7-2,3$.

Влияние состава фракций измельченного зерна на выход спирта

Для оценки качества отдельных фракций помола, полученных при про-шшленном измельчении зерна, а такке степени участия их углеводов в технологическом процессе проводилась серия экспериментов по осахари-занию и сбраживанию крупной, средней, мелкой и тонкой фракций с определением выхода спирта из единицы сырья (помола), (рис. 2). Установ-

Рис. I. Массовый состав_ фракций промышленного помола по гранулометрическим показателям

|____„_| - тонкая фракция \///А - средняя фракция

¡■. ч\Ч - мелкая фракция крупная фракция

• лено, что из углеводов крупной и средней фракции образуется 40,2 и 65,8% спирта, расчитанного в процентах по отношению к выходу спирта исходного помола не разделенного на фракции. Такие показатели свиде! стзуют о слабой утилизации углеводов некрахмалистой группы.

Для улучшения условий переработки целлюлозы и других некрахмалис полисахаридов были использованы специфические ферментные системы це; люлолитичеокого действия, которые применялись для осахаривания в сме си с традиционными источниками микробных амилолитических фэрмонтов. Анализ полученных данных показал, что в присутствии целлюлаз выход спирта возрастает от 0,14% (тонкаяфракция) до 3,18% (крупная фракцш

Следовательно, при переработке цвллюлозоссдержацих фракций по1 ла целлюлолитические ферменты могут существенно увеличить выход его та (табл. I).

В этой связи возникает необходимость и подборе таких способов веде! процесса, которые обеспечивают высокую результативность от применен] целлюлаз. В первую очередь осуществление предварительной обработки ллюлозы при высокой температуре, что дает возможность перевсти ее в

акционное состояние. Однако танио жесткие режимы мало приемлеиы для крахмала и других углеводов, поскольку приводят к высоким потерям сбра живаемых соединений, что технологически н&^оправдано.

Исследование фракционных способов разделения зернового сырья

В спиртовой промышленности принято рассматривать зерно как сырье, представленное однородной массой, без учета его анатомического строения и распределения в нем сухих веществ, что снижает эффективность его переработки.

В этой связи, основываясь на опыте работы отечественной мукомольне и крупяной промышленности, а также принимая во внимание исследования многих авторов, было выдвинуто предложение осуществить разделение зерш по анатомическим составляющим на оболочки я ядро, которые в последующе) использовать раздельно в технологическом процессе.

Слояность задачи обусловлена тем, что обычно структурно-механические свойства оболочек я ядра или эндосперма различаются незначительно.

В ходе многочисленных экспериментов был найден подход к ,эффективному разделению зерна на главные анатомические части, что позволило существенно изменить свойства зерна.

Показано, ч?о гидротермическая обработка зерна при подобранных параметрах влияет на прочность пленок и оболочек при сохранении свойств эндосперма.

Установлено, что при.этом влажность оболочек зерна снижается до 8,5-10,2% при общий влажности зерна 12-14%, что вызывает повышение хру! кости покровных слоев. Вследствие этого оболочки способны легко раскалываться, предварительно отслоившись от эндосперма, что облегчает разделение зерна на анатомические части.

Осуществление указанного процесса проводилось с применением ряда промышленных шелушителей. На основании выполненных экспериментов показано, что наиболее высокую результативность по1шелушению зерна при относительно низких энергозатратах имеет шлифовально-шелушительная машина А1-ЗШН-3, которая предназначена для переработки ячменя, пшеницы,ржи кукурузы.

Установлены режимы шелушения, которые обеспечивают разделение зерна на две фракции, представляющие собой тонко измельченные оболочки и планкп (фракция I), а также целое ядро (фракция 2).

Для определения компонентного состава фракций в них анализировало! зодержание некрахмалистых углеводов (целлюлозы, гемицеллюлозы) и крахм! ла.

е и о а

ЕН

о и;

к

СО «

о

о с:

Ен

нн

СО

а.

«

о

X

т

фракции помола

Рис. 2. Выход спирта из различных фракций помола

Таблица I

Выход спирта из различных фракций помола с применение« амилолиткческих и целлюлолитичес-ких ферментов

Измельченное | -Доза осахаривакшшх ! Выход.спирта из I т п • ферментов ,ед/г субстрата ла_

сырье -1 амилаза 'ПГ - К-- 1 'глюкоами-!лаза целлшаза % к контролю,увеличен 1

Крупная фракция помола ■ 1,5 _и_ 6,0 _и_ 8,0 0 103,18 100,00 3,18

Средняя фракция помола Мелкая фракция помола 1,5 1,5 6,0 _||_ 6,0 8,0 0 8,0 - 0 102,25 100,00 100,23 100,00 2,25 0,23

Тонкая фракция помола 1,5 ■ _»_ 6,0 8,0 0 100,14 100,00 0,14

Исходный помол (контроль) 1-.5 6,0 8,0 0 100,96 100,0 0,96

Согласно полученным данным фракции I из ячменя, ржи и пшеницы на >6,1-78,8$ состоят из некрахмалистых полисахаридов и содержат 7,8-12,3/? срахмала. Фракции 2 характеризуются присутствием 57,5-62,3%_крахмала и ),08-0,19% некрахмалистых углеводов.

Следовательно, фракции, образующиеся при разделении зерна, можно слассифицировать как преимущественно целлюлозосодернащие и крахмалист-19.

Дифференцированный способ подготовки фракционированного сырья к сбраживанию

Осуществление разделения зерна на крахмалистую и целлюлозосодериа- • pie части расширяет возможности для изыскания новых прогрессивных под-содов к утилизации всех углеводных компонентов зерна, являющихся источниками сбраживаемых продуктов.

i частности крахмалистая фракция, представляющая собой ядро зерна без включения оболочек с преимущественным содержанием крахмала, можеть 5ыть переработана при мягком режиме водно-тепловой обработки.

Оболочки и пленки зерна или целлюлозосодержащая фракодят'ребуиг же-зтких условий подготовки к ферментативному гидролизу, что обеспечивает дефибрилляцию целлюлозы, изменение' степени ее полимеризации и повышение^ зеакционной способности.

Для последующего энзиматического превращения целлюлозы и других 1екрахмалистых полисахаридов в сбраживаемые продукты' требуется применив активного комплекса целлюлолитических ферментов, эффективного 1ля данного вида сырья.

Следовательно, на основании выше изложенного предлагается новая 1ринципиальная схема дифференцированной подготовки зернового сырья к збракиванил<.которая подразделяется на следующие этапы:

- гидротермическая обработка зерна;

- фракционирование зерна по анатомическим составляющим;

- измельчение крахмалистой фракции;

- специфическая водно-тепловая обработка каждой фракции;

- ферментативный гидролиз.

Схема приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Принципиальная схема фракционной подготовки зернового сырья к сбраживанию

Изучение процесса биоконверсии целлюлозосодвржащих фракций зэрна препаратами целлюлаз

Проблема конверсии целлюлозосодвржащих видов растительного сырья,, кже сельскохозяйственных отходов и других целлюлозосодвржащих ыате-:алов в этанол, кормовой белок, прочие ценные продукты имеет большое актическое значение.

смотря на определенные научные достижения в этой области, ферментатив й гидролиз целлюлозосодвржащих компонентов сырья не нашел практичес-го применения в нашей стране. Прежде всего это объясняется сложностя-, связанными со специфической предобработкой целлюлозы, а также зна-тельной инактивацией ферментов из-за их нестабильности и ингибирова-я метаболитами, и как результат - недостаточно эффективный выход саха в.

Способ фракционирования зерна открывает нОЕые перспективные пути я решения этой проблемы и прежде всего для повышения продуктивности рментагизной конверсии целлюлозосодержащей фракции.

I. Сравнительное изучение препаратов целлюлаз и выбор наиболее перспективных для биоконверсии

Объектом исследования служили образцы 12 перспективных препаратов ялюлаз, производимых на различных заводах России. Изучен их фармента-вный состав по активности компонентов целлюлолитического комплекса зопутствующих гядролаз, участвующих в расщеплении других некрахмалис-х полисахаридов клеточных стенок растительных субстратов, р.терием оценки служили показатели активности по гидролизу карбоксине-пцеллюлозы (КМЦ), целлобиозы, ксилана, глвкана (табл. 2).

Изучены оптимальные условия действия, а также термо- и рН -стабиль-зть главных ферментов комплекса препаратов и показано, что требования! здъявляемым спиртовым производством к осахариваюцим материалам, отдают препараты целлофторин ГЗх, целлобранин ГЗх, целлюлаза-100 ГЗх и злоглюканофоетидин ПЮх, способные к активному воздействию на целлюло-содержащие субстраты в диапазоне температур 30-60°С и рН 4,5-6,0.

Учитывая, что указанные препараты обладают полноценным набором фа] нов целлюлолитического и гемицеллюлазного действия, они были отобрав качестве осахаривающих средств для дальнейших исследований.

Таблице

Характеристика препаратов целлюлаз

№ пп

Название препарата

Заврд-изготовитель!Активность на субстрате,

ед/г

! | 1 'ФБ! КМЦ !целло-! , ,биоза ! кси- , лан и

1.Целловиридин Г20х Приволжский ЕХЗ 200 850 25 500 и

2.Целловиридин Г20х 500 1300 48 660

З.Целлюлаза-ЮО ГЗх 100 2500 120 480 36

4.Целлйлаза-Ю0 Г20х 380 4100 56 600

5.Целлоном Г20х 60 1400 70 1546 I

6.Ксилоглюканофоетк-дин ПЮх Вышне-Волоцкий 8ФП 50 900 150, 3000 26

7.Цвллофовтидин ПЮх - -<>- 750 4400 250 # 1350 1

8.Цвллюлаза-СМ ПЮх . .800 3600 100 * 1640 I

"9.Цвллобранин ГЗх Бердокий завод 100 500 30 200 I

Ю.Цвллобраник ГЗх 50 300 10 144 2

И.Двллофторин ГЗх ызз 72 3700 360 5000 2

12.Целловиридин ГЗх 64 200 45 96 I

2. Влияние условий, .биоконверсии на степень расщепления углеводов

В качестве исследуемых субстратов использовались целлюлозосодерна щие фракции ячменя, ржи и пшеницы, полученные при разделении зерна на шшфовально-шелушительной машине в условиях Луаковского завода.Фракци подвергались предварительной водно-тепловой обработке при 0,2 МПа 2 ч а затем гидролизовались препаратами целлюлаз в дозировке 30 ед эндогл. каназы. „

При изучении влияния температуры биоконверсии на показатели проце са установлено, что в основном препараты -проявляют наиболыпр гидрол тическу» способность при 60сС. Кроме того полученные данные свидетель ствуют о высокой субстратной специфичности препаратов: ксилоглюканофо тидин ГЦОх более глубоко осахаривает углеводы фракций ячменя и ржи,в то время .как целлофторин ГЗх лучше воздействует на \ полисахари-

ды фракций пшеницы.

Таблица 3

Влияние температуры биоконверсии на глубину гидролиза субстратов выбранными-препаратами

Источник Исходное Степень расщепления субстратов (%) ферментов сырье пои температуре,°С___

40 50 60 ?0 80

Целлофто-рин ГЗх Рожь -Ячмень Пшеница не опр. 44,0 32,5 47 ,0 45,0 34,0 48,4 ■ 44,0 42,5 32,0 31,0 46,0 45,0

Целлобра-зин ГЗх Рожь Ячмень Пшеница 40,0 30,0 28,0 43,0 31,0 37,0 45,0 32',5 40,0 ■ не опред.

^еллюла-за-ЮОГЗх Рожь ■ Ячмень Пшеница 18,0 18,0 18,5 10,0 22,0 22,0 20,0 22,0 21,0 не опред.

{силоглюка- «фоетидин ПОх Рожь Ячмень Пшеница 52,0 38,5 30,0 54,0 ' 40,0 31,0 55,0 43,0 32,0 не опред. -Н-

Исследование влияния продолжительности^ферментативного гидролиза 1а степень превращения полисахаридов субстратов в сбраживаемые углеводы проводилось в динамике при температуре 60°С.Доза ферментных препара-сов преаняя.

На рисунке 4 (а,б,в) приведены кинетические кривые конверсии, кото-зые свидетельствуют, что оптимальная продолжительность ферментативной зеакций составляет 4-6 часов. При этом достигается достаточная глуби-¡а деструкции субстратов и целлюлоза, входящая в состав фракций,гидро-шзуется на 40-50$ с образованием глюкозы.

6 9-Л

время,ч

Рис. 4. Динамика гидролиза углеводов целлюлозосодержащяй фракций пшеницы (а), ячменя (б), ркк (в) препаратами:

1.-целлофторин ГЗх •

2.-целлобранин ГЗх

3.-целлюлааа-ЮОГБх

4.-ксилоглвканофоетидин ШОх

Оптикгзацая юзы препаратов, требуемш: зля dH'íiktibhoíí биокэнверспи ляштосодзрсалцзх субстратов, провозилась при SO "'О в течение 1-24 часа лотество осахаривашгх материалов составляло от 8 до 30 ед эпдэглюканэ i.

Установлено, что «аксгиальвая степень гидролиза целлэяозы ркя под Лствисм 8-12 ад эидоглзжзлазы целяо^тарпна ГЗх соотвествует 47,51. ржч^яр дояв препарата о? 14 до 30 ед пригонит к расщеплению 50-55Í ллюлозы, причем указанные результаты получены при длительности глнро-:за 24 часа. Б тсгсо зрекя лрл ¡тспольэованЕШ 12-14 ед эняэглшааази за -3 пасов гядро-алзуегея 45-47-1 целлюлозы. Воздействие 15 ед обеспечива-1 указанную степень Ураясформашшцзллюяозн за 2 часа.

Аналогичнне результаты проявляйся при осахарявания препаратами пел-)бранпн ГЗх и келлогяюканофостйдин ÍHOx, которые соответственно гяи-)Я1'1зулт целлюлозу ряи на 45 и ЪЪ%.

хедователъно, оптимальной дозой препаратов цаллюлазы следует считать t-16 ел эндоглгегсавазн, поскольку в этом случае за 4 часа осахарпвается соло 50'1 субстрата-целлюлозы ржи.

Подобная закономерность наблюдалась при осахаряваняи ячменного и плен зго субстратов, наибольшая степень конверсии которых достигалась при дс ip-вке 14-10 ед эндоглюкзназы.

3. Конгерсяя полисахаридов пеялтаозосодегаэпнх б&ттаий под действием различных гилролаз

Фракции зерна, характеризуемые в качестве целлюлоз о со перг.аших, яме— т в сеоом составе, пак показано зыае, некоторое количество крахмала.

Рекомендуемый дифференцированный способ подготовки енрья яолзген обе« зчквать максимальную утилизацию всех групп углеводов "ракодй, являзкщх-я полимерами глюкозы, в том числе и крахмала.

Комплексное применение на стадии* гидролиза полисахаридов целлюлозо-эдераащах фракций зерпа смеси ферментных систем, состоящих из ясслепу-ких целшэлолитичеекпх препаратов и амплолктсческих ферментов амилосуб-яляка Г5х и глюкаваморгша Гх приводят к тому, что происходят одновреме; ое осахарвваняе крахмала фракций я расщепление кекрахмалистых углеиво-ов, что повышает степень бноконверсяи самой целлюлозы, зависимосте от вида исходного сырья т. источника иелдюлэллтическях фер-ент.ов, а так~.э набора п соотношения сопутствующих групп ферментоЕ (гем .еллюлазы, в - гдканазы) целлюйоза субстратов расщепляется до 55—S0>3.

На ряду с этим происходят- энзиматпческое разложение гемицеллюяоз, о торне гядрзлязутотся на 60-90* с образованием пептоз а. ве которого кол

чества глюкозы. Полисахарид ^-глюкан также на 95-98% трансформирует ся в глюкозу, что в целом значительно обогащает гидролизаты сбражива мыми углеводами.

Влияние ферментативного гидролиза некрахмалистых полисахаридов фракций на выход спирта

Критерием оценки действия ферментных препаратов целлюлаз.при меняемых для биоконверсии, служит не только уровень их каталитическо активности, количество образуемых продуктов гидролиза, но и влияние на показатели выхода целевого продукта.

На основании этого целлофторин ГЗх, целлобранин ГВх и ксилоглюка: фоетидин ПЮх как наиболее перспективные препараты целлюлаз использо •вались в экспериментах по осахариванию и сбраживанию целлюлозосодерх щего сырья.

Таблица Ь

Выход спирта из целлюлозосодержащих фракций зерна

Вид исходного сырья

.'Способ Цодго-!товки зерна к !фракцио нированию

Дозировка ферментов

ед/г.субстрата

АС ! ГЛС

ЭнГл

Выход спирта,% к ко: лю, при использован:

ПрЙПЯ^ЯТПТ!

ксилоглю-,целло- !цел; данофоети- бранин,рин дин !

Ячмень

сухой 1,5 7,5 16 146 - 115 Г.

влажный -"- .-»- 167 138 Ь

Пшеница сухой -м- -"- ИЗ ЮЗ К

влажный -"- -"- -"- 117 105 II

Кроме того представлялось необходимым оценить эффективность пер< работки на этанол фракций, полученных при гидротермической подготовь зерна к разделению (влажный способ) и без нее (сухой способ).

Режим биоконверсии соответствовал установленному ранее. Показано во всех вариантах более высокие показатели по выходу спирта проявляю; при использовании субстратов, выделенных с применением влажного сш

ба предподготовки зерна к фракционированию, что обеспечивет повыше-е реакционней способности целлюлозы.

Максимальные результаты по выходу спирта наблюдаются при переработ-фракций ячменя, что соответствует 138-167;?, в то время как выход ирта па пшеничной фракции составляет 105-123%.

Таким образом можно заключить, что разработанный способ фракцион-й переработки сырья создает условия для продуктивной утилизации не->ахмалистых полисахаридов зерна и получения на их основе значительного ¡личества дополнительного спирта.

Исследование реаимов дифференцированной переработки крахмалистых' и цоллюлозосодержащих фракций зерна ■ при производстве спирта

Как указывалось ранее- дифференцированный способ переработки фрак-1й зерна предусматривает использование специфических режимов водно-зпловой и ферментативной подготовки сырья к сбраживанию.

На основании накопленного спиртовым производством " опыта работы э получению спирта из зерна без применения пара повышенных параметров, также с учетом экспериментальных данных представлялось целесообразна осуществить процесс производства спирта при следующих условиях:

1) крахмалистую фракцию зерна после измельчения и смешивания с одой обработать без разваривания при мягком тепловом режиме. Осаха-ивание провести градационным способом;

2) целлюлсзосодеряащую фракцию зерна разварить под давлением подвергнуть биоконверсии смесью препаратов гидролаз (целяюлазы и

милазы) при подобранных параметрах.

3) процесс сбраживания осахаренного сусла и гидролизата провести овместно.

В таблице 5 приведены данные исследования различных режимов пере-1аботки цоллюлозосодержащих фракций пшеницы и ячменя при использовании' ;ля биоконверсии целлобранина ГЗх.

Критерием оценки служил выход спирта, который определялся в динами-:в после одного и четырех часов ферментативной конверсии.

Из представленных данных следует, что наибольшей результативностью характеризуются варианты, в которых целлилозосодержацее сырье подвергалось развариванию, а длительность биоконверсии составляла 4 часа, ¡ля фракций пшеницы и ячменя выход спирта составил ID5 и 138$.

На следующем этапе исследований проводилось изучение влияния цавы-

ход спирта дифференцированного способа подготовки фракционированного сырья к сбраживанию.

Таблица

Режим переработки целлюлозосодержацих фракций зерна при использовании целлобранина ГЗх

Наименование сырья

!Реиим тепловой обработки .

.'Дозировка ферментов ед/г субстрата

: АС ! ГЛС ! БнГл

I I I

' Выход спирта,% к , тролю, при продол ■ тельности биоконв

?

I ч 11)1,7

4 ч 105,0

Целлшозосодер- 0,2 ЫПа

1,5 7,5

30

жащая фракция пшеницы (контроль) " и 0 100,0 100,0

без разваривания " II 30 100.0 102,5

• (контроль) . " п 0 100,0 -100,0

Целлюлозосодер-жащая фракция ячменя 0,2 МПа 1,5. — . 1? (контроль) 7,5 п 30 0 126,0 100,0 138,0 Г00,С

без разваривания " п 30 1X5,0 122,0

(контроль) " и 0 100,0 100,0

Режим дифференцированной переработки ного ячменя

Таблиц фракционирован-

ий пп

Наименование сырья

Рении тепло- Дозировка фер- Выход

вой обработки ментов, ед/г та,% к

субстрата контро

' АС ГлС ЭнГл

I.

1.1 Целлюлозосодержащая фракция

1.2. Крахмалистая фракция

0,2 МПа 2 ч

без разваривания

1,5 7,5 30,0 105, 1,5 7,5 0 пю.С

2. Исходный измельченный без развари-.ячмень (контроль) ванин

3. Исходный измельченный яч- 0,2 МПа

1,5 7,5 30,0 101, 1,5 6,0 30,0 100,

Результаты таблицы б показывают, что фракционная переработка зерна зляется Солее прогрессивным технологическим способом, при котором з зоцесс образования спирта включены как крахмал, так и некрахмалистые глеводы зерна

Выход спирта из фракционированного сырья значительно выше, чем эи использовании нативного зерна.

Разработка аппаратурно-тахнологической схемы фракционной подготовки зернового сырья к сбраяиванию

Накопленные экспериментальные данные по фракционированию зерна, аффервнцированному способу всдно-тепловой обработки каждой фракции, а акяе осуществление ферментативной конверсии целлголозосодержащей части зрна позволили разработать аппаратурно-тахнологичоскую схему фракцион-эй переработки сырья.

Проведен подбор соответствующего серийно-выпускаэмого оборудования, эобходимого для фракционирования зерна.

Согласно разработанной схеме, а также на базе имеющегося и действую' его на Луяковском заводе оборудования создана опытко-промыаленная ус-зновка фракционной подготовки зерна к сбраживания ^рис. 5).

Производственные испытания разработанной технологии

Испытание способа дифференцированной подготовки зернового сырья сбраживанию проводились на Луяковском заводе АО "Туласпирт". качестве сырья использовалась пшеница. Источником целяюлолитичвских ерментов служил препарат целлобранин ГЗх.

Переработка фракционированного зерна проводилась по предложенным втором режимам. Контролем являлся вариант, в котором аналогичное сырье ерерабатавалось по принятой на заводе технологии.

Установлено, что реализация нового технологического способа произ-одства этанола из фракционированного зерна обеспечивает глубокое рас-епление некрахмалистых полисахаридов, которое приводит к увеличению ыходд спирта.

На основании производственных испытаний разработан "Опыхно-промыш-енный регламент на производство спирта при фракционировании зернового ырья и использовании препаратов целлюлаз".

19 ао а! ф

|| ■ / / \ » V

л/ / \ \

зг

Ъ9 40 4"!

Рис. 5. Схема опытно-промышленной установки для производства этанола из фракционированного сырья. I - аппарат ГТО; 2 - нория; 3,8 - шнеки; 4 - сушилка; 5,6,7 -вентиляторы;. 9- шелушильно-шлифовальная машина; Ю- сборник; II - дробилка; 12-смеситель; 13,17 - насосы; 14,2.",23,32-33-расходные сборники^- амилазы, целлюлазы, глюыоамилазы; 15- батарейные циклоны- разгрузители; 16- смеситель для шелухи; 18,19- контактные головки; 20 - трубчатый разварник; 21,30- паросепаратор; 24,25-аппарат для биоконверсии шелухи; 26,27,28,29 - варочные колонны; 31 - вакуум-испаритель; 34- осахариватель; 35- суаловой насос; 36 - теплообменный аппарат; 37,38 - дрожжанка; 39,40 - бродильные аппараты; 41 - насос бражной.

ВЫВОДЫ

1. Изучено содержание нокрахмалистых полисахаридов в зерновых культ ах, перерабатываемых на-спиртовых заводах России, и показано, что они одержат 1,60-10,05$ целлюлозы, 1,32-14,71% гемицеллюлозы и 0,19-2,12% р- глюканов.

2. Исследовано влияние степени измельчения зерна на массовый состав 'Ракций помола и изучен углеводный состав полученных фракций. Установле о, что все фракции помола содержат различный набор крахмалистых и не-рахмалистых полисахаридов, совместное наличие которых не позволяет ис-лючить потери углеводов при водно-тепловой обработке сырья.

3. Изучены условия разделения зерна по анатомическим составляющим получены франции, содержащие преимущетзенно крахмал (ядро зерна) и

екрахмалистые полисахариды (оболочки, пленки). Определен качественный количественный состав фракций.

4. Проведено сравнительное исследование 12 промышленных перспективах препаратов целлюлаз, изучен их комплекс и выбраны препараты, обла-авщие широким спектором целлвлолитических, гемицеллюлазных и других ерментных систем, необходимых для гидролиза некрахмалистых полисахари-ов. . '

5. Изучена кинетика биоконверсии углеводов целлюлозосодержащих ракций зерна под действием препаратов целлюлаз.

Установлены оптимальные параметры процесса (температура 60°С, дли-ельность 4 часа), а также доза ферментов, задаваемых на осахаривание 14-16 ед эндоглюханазы на I г целлюлозы). Определена степень преврати ия целлюлозы сырья в сбраживаемые вещества.

6. Установлено, что под действием комплекса гидролитических фермен-ов, включающих целлюлазу, гемицеллюлазу,глюканззу и амилолитичес-ие ферменты целлюлоза, фракционированного сырья расщепляется на 55-60%

образованием глюкозы; р - глюкан - на 95-98%; гемицеллюлоза - на 80-

о,:,

7. Установлено, что в результате биоконверсии полисахаридов целлюло-осодержащих фракций.ячменя и пшеницы препаратами целлюлаз выход спир1 остигал 138-167% и 105-123% в зависимости от источника ферментов.

8. Разработаны условия дифференцированной подготовки фракционирован-ого сырья к сбраживанию и показано, что целлюлозосодержащая фракция олжна быть повергнута водно-тепловой обработке с применением пара позы' енных параметров, а крахмалистая часть может перерабатываться по техн> ическим режшам без применения повышенного давления.

9. Установлено, что дифференцированный способ подготовки зерна к сбраживанию обеспечивает более глубокую утилизацию углеводов фракционированного сырья за счет гидролиза некрахмалистых углеводов и повышение выхода спирта, что подтверждено производственными испытаниями.

Ю. Разработана аппаратурно-технологическая схема фракционной подгот ки и' дифференцированной переработки зерна, которая смонтирована на Лун-ковском заводе на базе имеющегося и серийно-выпускаемого оборудования.

-II. Разработана нормативно-техническая документация на способ прок; водства спирта с применением разделения измельченного зерна на целлюло-зосодеркащую и крахмалосодержацую фракции с последующей дифференцирова] ной обработкой их комплексам^ целлшозолитических и амилолитических çe. ментов.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Патент - (заявка !ё 93-035904. 27.0?.93). Способ производства эти вого спирта из зернового сырья //Устинников Б.А. Сергиенко H.H.,Губрий Пыхоьа С,В. Мазур Н.С., Громов С.И., Рязанов С.Н., Рудекко H.G. Решение о.выдаче патента от 15.07.94.

2. Губрий Г.Г.//Влияние состава фракции измельченного зерна на вых< спирта. Пищевая промышленность, 1994.№

3. Губрий Г.Г., Бачурин П.Я., йазур Н.С., Устинников Б.А.Донверс различных видов целлюлозосодержащего сырья препаратами целлюлаз и ее роль в биотехнологии. Хранение и переработка сельхозсырья. 1994.

4. Губрий Г.Г. Разработать и внедрить ресурсосберегающую технолог на стадии подготовки сырья к сбранивамго в биотехнологических произ! ствах. Отчетно паунно-исследователъской работе. УДК 663.531.4.Ö04.18. Номер гос.регистрации 01890046803. Воронеж, 1989, 1990.

Подписано в печать 06.09.94 г. Фермат бумаги 60 х 90 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 3/о

394017, Воронеж, пр. Революции, 19 Воронежская гос. техн. академия УОП