Способ получения сахара из целлюлозусодержащего растительного сырья

Союз СоветскихСоциалистнческкюРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ949002Опубликовано 07,08,82, Бюллетень 29 ио делам изобретений и открытийДата опубликования описания 10.08.82 И,В. Березин, К, А. Калунянц, М. Л, Рабинович, А. А, Клесов,Л. С, Лосякова, Л. И. Голгер, В. М, Серебренников О, П, Кожемякина,(72) Авторы изобретения Б, Н, федоренко, Н, Г. Бочкарева, Э. М. Трефило Б. Велйчкои Г, В. Черкасова ьСФ ",ф,Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской урологии,и ордена Трудового Красного Знамени государс 4 нттый университет .,41им, . В Ломоносова и Всесоюзный на но-исс довагелйктй1(7) Заявители М 7 чбиотехнический институт Главного управления м робиологщесттой промышленности при СМ СССР(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САХАРОВ ИЗ ЦЕЛЛ)0 ЛОЗОСОДЕРЖАШЕГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯИзобретение относится к гидролизнойпромьпцленности, в частности к способам,получения сахаров из целлюлозосодержашего растительного сырья, и может бытьиспользовано в микробиологической, спиртовой, пишевой промышленностях и для5получени я кормов,Известен способ получения сахаров из целлюлозосодержашего сырья, предусматриваюший адсорбцию целлюлолитических ферментов на сырье, гидролиз сырья, от- деление жидкой фазы, содержащей олигосахариды, от непрореагировавших остатков с последующим гидролизом олигосахаридов иммобилизованными целлюлозными ферментами, ковалентно связанными с твердым носителем, до глюкозы и выделение глюкозы из вторичного гидролизата 11 . 20Недостатком данного способа является использование дорогостоящих иммобилизованных ферментов, что значительно удорожает процесс гидролиза. 2Известен способ получения сахаровиз целлюлозосодержашего сырья, предусматривающий адсорбцию целлюлолитических ферментов на целлюлозосодержашем сырье гидролиз сырья адсорбированцыми ферментами при рН 4-5 и 25 - 50"С, отделение жидкой фазы, содержашей сахара, регенерацию высвобождающихся ферментов путем постоянного поддерживания избытка целлюлозы в реакционной смеси 2Недостатком описанного способа является неполная регенерация целлюлолитического кмплекса за счет потерь ферментов, адсорбированных на непрогидролизованных остатках сырья.Известен также способ гидролиза растительного сырья, согласно которому для увеличения выхода сахаров в процессе гидролиза осуществляют принудительное подпрессование сырья до плотности 260 - 300 кг/м о абсолютно сухого сырья (;3Наиболее близким техническим рецеццеч является способ получения сахаров из целлюлозосодержащего растительного сы 3 94900рья, предусматривающий адсорбшпо целлюлолитических ферментов ца сырье, гидролиз его при рН 4,0 - 5,0 и 25 - 50 ОС,отделение непрореагировавших остатков игидролизата, содержашего сахар, промывку 5непрореагировавших остатков от ферментов и введение десорбировапых ферментов в процесс, регенерацию ферментов изгидролизата путем адсорбции их на вновьвводимом сырье с последуюшим выводомгидролизата из процесса 4.Недостатком данного способа являетсянеполная адсорбция ферментов на сырье(около 50%) вследствие низкого содержания сырья в реакционной камере (5 -10 -ная суспензия), что приводит к неполной регенерации фермента, а также ксниженто выхода сахаров на единицу сырья н на еднцицу объема реактора. Крометого, необходима подача фермента на стадию гидролиза только в виде сухого препарата и невозможно использование фермента в виде раствора, водной вытяжкитехнического препарата или купътуральнойжидкости,25 Пель изобретения - повышение выходасахаров на единицу сырья, а также болееполное использование ферментов,Поставленная цель достигается тем,(что в способе получения сахаров из целпюлозосодержашего растительного сырья,предусматриваюшем адсорбцию целлюлолитических ферментов на сырье, гидролизоего при кислых значениях рН и 25- 50 С,отделение непрореагировавшФх остатков игидролизата, содержащего сахара, промывку непрореагировавших остатков от ферментов, адсорбцию ферментов из гидролизатапутем пропускания его через сырье и выделение гидролизата, перед адсорбциейферментов целлюпозосодержашее рас тительное сырье прессуют до плотности 0,20,8 г/см, адсорбцию ферментов на сырьеведут при 0 - 20 С, а отмывание непрореагировавших остатков от ферментов осу 45шествляют при рН 6 - 9.При этом ферментный препарат используют в растворенном виде и пропускаютраствор фермента через спрессованное сырье со скоростью 0,5-10 объемов реактора/ч.Отделение гидролизата, содержащегосахара, осушествляют со скоростью 0,15 объемов реактора/сут, и в качествецеллюполитических ферментов используюткомплексные препараты, содержащие эндогпюканазу, целлобиогидролазу, экзоглюкозидазу, целлобиазу,2 4Сушцость предлагаемого способа заключается в следующем.При использовании ферментов в виде раствора или культуральной жидкости рН раствора устанавливают 3,5 - 5,0 целлюлозосодержашее сырье прессуют до плотности 0,2 - 0,8 г/см, температуру сырья3и раствора фермента поддерживают 5 - 25 С. Ферментный раствор пропускаютгОчерез опрессовацное сырье со скоростью 0,5 - 10 объемов реактора/ч и затем заменяют буферным раствором рН 4,0 - 5,0, снижают скорость его пропускания через сырье до 0,1-5 объемов реактора/сут,г г повышают температуру сырья до 25 - 50 С и ведут гидролиз при постоянном удалении гидролизата, содержащего сахара. Полученный гидролизат пропускают через вновь вводимое в процесс спрессованное сырье при 5 - 25 С для адсорбции высвобождаю- шихся при гидролизе ферментов. Гпдролизат, пропущенный через сырье, имеет содержание сахаров 3 - 10%, из которых от 60 до 904 составляет глюкоза, а остальные 10 - 40% - целлобиоза и ксилоза, В тоже время в сиропах, получаемых по известному методу, как показывают наши данные, глюкоза редко превышает 30-40% от обшего содержания сахаров, при использовании целлюлазных препаратов продуцента Т.Ч 1 г 1 д 6 повышение относительного содержания глюкозы в гидролизатах при проведении процесса предлагаемым способом, возможно, объясняется более полной адсорбцией ферментов, образуюших глюкозу, экзоглюкозидазы и целлобиазы, Гидролизат может быть использован для выделения глюкозы в качестве компонента питательной среды при выращивании микроорганизмов, для получения спирта, для получения кормов, По мере накопления в процессе гидропиза непрореагировавших остатков сырья их выводят из зоны реакции и промывают буферным раствором с рН "6,0- 9,0 для десорбции ферментов. Раствор, содержащий десорбированные ферменты, подкисляют до рН 4,0 - 5,0 и вновь вводят в процесс гидролиза, а непрореагировавшие остатки удаляют, В качестве целлюлозосодержашего сырья можно использовать отходы хлопка (пинт, гузапая), деревообрабатываюшей ( опилки), целлюлозно-бумажной, вискозной промьпцленнос ти, городские отходы, отходы сельского хозяйства. В качестве ферментов могут быть использованы целлюполитические комплексы, содержащие эндоглюканазу, целпобиазу, экзоглюкозидазу, целпобиогидролазу в виде культуральной жидкости, Э 40002ную зону. Содержание глюкозы в гидролизате от общей суммы восстанавливающих сахаров составляет 90%, При адсорбции адсорбируется 80 - 100% ферментов (по методу прототипа - лишь 50 - 60%), а примеси (пигмент, балластный белок, компоненты питательной среды) адсорбируются менее, чем ла 10%, н выходят из реактора до начала гичролиза, Благодаря этому сироп имеет лишь слабую окраску, хотя 1 О используемый ферментный препарат был интенсивно коричневого цвета, Потери ферментов при непрерывном функционировании реактора в течение месяца и двукратном добавлении новых порций сы рья составляет менее 15%, а производительность реактора сохраняется почти на постоянном уровне.П р и м е р 5. Процесс проводят ана. - логично примеру 4, но в качестве сырья используют хлопковый пинт, обработанный фосфорной кислотой ( 50 г) . Объем реактора 120 мл, сырье прессуют до плотности 0,2 г/см, используют культуральную жидкость продуцента ТгСИОЙЕгп 3 с 1 Юг 14 Е с активностью, ед/мл; эндоглюканазы 1,0; экзоглюкозидазы О, 2; целлобиогидролазы 0,3 и целлобиаэы 0,03, Скорость пропускания культуральной жидкости через сырье при адсорбции фермента 60 мл/ч, темпеО 30 ратура адсорбции 25 . Скорость пропускания буфера с рН 4,5 в ходе гидролиза сырья 80 мл/сут, температура гидролиза 40 С, В выходящем гидропизате глюкоза составляет 60% от общего содержания35 сахаров.В таблице показана производительность реактора и концентрация сахаров, достигнутые в этих примерах,4 об позволяет уветь процесса за счет ферментов, адсор 55 веса сырья, что выхода сахаров, Предлагаемыи спос личивать лродуктивнос повышения количества бированных на единицу приводит к увеличению и многократно испольэ вать ферменты, счет более лолсс,вводимые ной адсорбшш их пз гидроллзата и десорбцил с нелрореаглровавших остатков.1 роме того, предлагаемый способ позволяет иммобплизовать целпобиазу, содержащуюся в комплексе ферментов, адсорбцией непосредственно на расщепляемом сырье с сохранением до 30 - 50% активности это дает возможность получить гидролизаты с высоким относительным содержанием глюкозы и малой примесью целлобиозы, а также предотвратить ингибирование целлобиазой других компонентов целлюлаэного препарата, чего не удается избежать при отдельной иммобилизации цеплобиазы, Данный способ позволяет получить гидропизат не загрязненный примесями, содержац 1 емся в ферментном препарате, а также использовать ферментные растворы с низкой активностью за счет концентрирования ферментов в реакционной смеси лри адсорбции на сырье, Таким образом, увеличение выхода сахаров на единицу сыр я достигается за счет увеличения адсорбции ферментов на единицу сырья, а такде создания условий, при которых ферменты используются наиболее полно и эффективно гидролизуют сырье. При прессовании сырья до плотности 0,2 - 0,8 г/см ферменты адсорбируютЭся на сырье более полно (на 80 - 100%), чем в условиях по прототипу (5-15% ная суспензия сырья, адсорбция на 50-.70%). При проведении адсорбции при температурах, на 10 - 40 С ниже температуры гидоропиза, т. е, при 0-20 С, адсорбция ферментов на сырье увеличивается в 1,1- 1,5 раза ло сравнению с прототипом, где адсорбция идет в условиях гидролиэа, Проведение гидролиза сырья в спрессованном виде позволяет поддерживать более высокую плотность сырья в процессе гидролиэа (0,2 - 0;8 г/см ), чем ло прото 3типу (5 - 15%-ные суслензии). При этом ярменты адсорбированы на сырье в большей степени и действуют эффективнее при том же количестве ферментов, Пропускание ферментного раствора через сырье со скоростью 0,1 - 10 объемов реактора/ч позволяет нанести на сырье большое количество фермента, не загрязняя реакционную зону ингибируюшими примесями, содержащимися в ферментном препарате, что позволяет создать оптимальные условия для действия ферментов, В прототипе на стадии гидролиза в реактор добавляется сухой ферментный препарат, содержащий большое количество примесей, ингибируюших гидропиэ. Отделение в процессе гидролиза образуюше9 9490 гося сахарного сиропа и пропускание его через вновь вводимое спрессованное сырье при температурах, на 10-400 С ниже, чем при гидролизе, позволяет полнее адсорбировать на сырье ферменты, выводимые из зоны гидролиза с гидролизатом. В прототипе гидролизат приводится в контакт с 5 - 15%-ными суспензиями свежего сырья при температурах, не оптимальных для адсорбции ферментов, в 10 результате чего адсорбция ферментов на сырье является менее полной, Промывание непрореагировавших остатков сырья РаствоРом с РН 6-9 вызывает полную десорбцию ферментов с выводимых из 15 процесса остатков и позволяет возвратить их в процесс гидролиза, В прототипе промывание осуществляется водой с РН тем же,что и при гидролизе (4-5), а в этих условиях десорбция ферментов с остатков 20 сырья происходит труднее, чем при РН 6- 9, Использование ферментного препарата, содержащего ферменты эндоглюканазу, целлобиогидролазу, экзоглюкозидазу и целлобиазу, позволяет повысить степень гидролиза сырья до 80 - 100% в результате синергизма в действии отдельных ферментов на сырье, В прототипе используются препараты, не содержащие экзоглюкозидазы, они не обеспечивают столь 30 эффективного гидролиза сырья. 351. Способ получения сахаров из целлюлозосодержащего растительного сырья, предусматривающий адсорбщпо целлюлолитических ферментов на сырье, гидролиз его при кислых значениях РН и темпера туре 25 - 50 С, отделение непрореаги- о Формула изобретения 02 10ровавших остатков и гидролизата, содержащего сахара, промывку непрореагировавших остатков от ферментов, адсорбциюферментов из гидролизата путем пропускания его через сырье и выделение гидролизата, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения выхода сахара,перед адсорбцией ферментов целлюлозосодержащее растительное сырье прессуютдо плотности 0,2 -0,8 г/см, адсорбцию3ферментов на сырье ведут при 0 - 20 оС,а промывание непрореагировавших остатков от ферментов осуществляют при РН6-9,2,Способпоп. 1, о тличающ и й с я тем, что используют ферменгный препарат в растворенном виде, приэтом пропускание раствора фермента через спрессованное сырье проводят со скоростью 0,5 - 10 объемов реактора/ч.3. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что отделение гидролизата, содержащего сахар, осуществляютсо скоростью 0,1 - 5 объемов реактора//сут.4. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве целлюлолитических ферментов используют комплексные препараты, содержащие эндоглюканазу, целлобиогидролазу, экзоглюкозидазу целлобиазуИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРМ 562573, кл. С 13 К 1/02, 1975.2. Патент США % 3764475,кл. 195-33, оцублик. 1973.3, Авторское свидетельство СССРСоставитель М. ЛаринаРедактор К. Волощук Техред Л,Пекарь Корректор А. ГриценкоЗаказ 5700/7 Тираж 371 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4