Исследование растительных отходов в качестве источников энергии

Основными положениями энергетической программы всех стран планеты предусмотрено на первом этапе ее реализации создать материально- техническую базу для широкого применения нетрадиционных источников энергии. Существует несколько путей вовлечения растительных отходов в целевые процессы биоконверсии. Так, возможно более полное усвоение жвачными животными грубых целлюлозосодержащих кормов после их соответствующей физической, химической или ферментативной предобработки. Получение легкоусвояемых сахаров из лигноцеллюлозных отходов – этот путь утилизации растительных полимеров предполагает разработку эффективной технологии непрерывного получения глюкозы из целлюлозы. В дальнейшем возможна конверсия глюкозы во фруктозу и использование ее в пищевой промышленности или в качестве сырья для микробиологического синтеза различных целевых продуктов. Особого внимания, по мнению специалистов, заслуживает получение из ферментативных гидролизатов целлюлозы биоэтанола. В качестве основного сырья для производства биоэтанола до последнего времени использовали кукурузу и сахарный тростник. Традиционно эти культуры более распространены в США и Бразилии, поэтому именно эти страны производят в настоящее время биоэтанол.

Установлено, что обычный спирт и «целлюлозный спирт» являются одинаковым продуктом, полученным с использованием различного сырья и технологических процессов. Обычный этанол добывают из крахмала, содержащегося в зерновых культурах. «Целлюлозный спирт» производят из разнообразного целлюлозосодержащего сырья, главным образом из отходов сельского хозяйства (стебли, коробочки хлопчатника, солома, опилки, отходы бумажной целлюлозы и др.). Целлюлозная биомасса состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и небольшого количества белков, липидов и минеральных веществ. Приблизительно 60-65% сухих веществ целлюлозной биомассы представлено целлюлозой и гемицеллюлозой. Среди многочисленных методов производства этанола из целлюлозы можно выделить два основных варианта переработки, позволяющие получить пригодные для брожения простые сахара, необходимые для получения спирта: это производство гидролизного спирта на гидролизных заводах и ферментативный гидролиз. Существует два наиболее часто используемых процесса кислотного гидролиза: гидролиз разбавленной и концентрированной кислотой. Процесс гидролиза разбавленной кислотой (1,0 %-ной серной кислотой) происходит при высокой температуре (215^оС) и давлении в течение нескольких минут.

При гидролизе концентрированной кислотой применяют сравнительно мягкие температурные режимы (60^оС) и давление. Продолжительность значительно дольше, чем с применением разбавленной кислоты (2-6 час). Использование при гидролизе концентрированной серной кислоты обеспечивает быстрое расщепление целлюлозы до глюкозы, а гемицеллюлоз – до пентозы с небольшим разложением сахаров. Процесс позволяет минимизировать потери сахаров и проводить восстановление кислоты для повторного ее использования.

Недостатки гидролизных способов производства этанола:

В первом варианте при применении для гидролиза разбавленной кислоты (1,0% раствор H₂SO₄) и высокой температуры (215^оС) в течение нескольких минут отмечаются следующие недостатки:

– большие затраты тепла на гидролиз;

– большие потери моносахаридов за счет их разложения в реакционной зоне до фурфурола, оксиметил фурфурола, образовавшаяся глюкоза уплотняется до ди-, трисахаридов (ревертоз). Происходит карамелизация и потеря сбраживаемых сахаров, эти вещества ингибируют дрожжи при спиртовом брожении.

Во втором варианте при гидролизе целлюлозы концентрированной (70%) серной кислотой процесс происходит при низком давлении и низкой температуре – 60^оС.

Недостатки: в этом варианте необходимо высушивать растительное сырье, регенерировать кислоту, применять дефицитные материалы для защиты оборудования от коррозии и сложное металлоемкое оборудование.

Кислотный гидролиз связан с большим расходом воды, тепла, экономически малоэффективен и не является экологически чистой технологией.

Получение легкоусвояемых сахаров из лигноцеллюлозы отходов сельского хозяйства, хлопководства, зернового производства и пищевой промышленности – этот путь утилизации растительных полимеров предполагает разработку эффективной технологии непрерывного получения глюкозы из целлюлозы. В дальнейшем возможна конверсия глюкозы во фруктозу и использование ее в пищевой промышленности или в качестве сырья для микробиологического синтеза различных целевых продуктов. Особого внимания, по мнению специалистов, заслуживает получение из ферментативных гидролизатов целлюлозы биоэтанола. Биоэтанол (или топливный этанол) в отличие от спирта, из которого изготавливаются алкогольные напитки, не содержит воды и производится путем укороченной дистилляции, поэтому содержит метанол и сивушные спирты, а также бензин, что делает его непригодным для питья. Биоэтанол – возобновляемое топливо, сырье для снабжения этанолом можно выращивать каждый год, тогда как для производства энергетических источников на основе окаменелого топлива требуются миллионы лет.

В настоящее время основные положения энергетической программы всех стран планеты нацелены на создание материально-технической базы для широкого применения нетрадиционных источников энергии. Важным фактором, определяющим расщепление высокоорганизованных лигноцеллюлозных субстратов, является их надмолекулярная структура, которая представляет собой сложный матрикс, состоящий из лигнина, гемицеллюлозы, связанных ковалентной связью между собой и целлюлозой и протопектином. Целлюлозные фибриллы погружены в лигногемицеллюлозный матрикс. Лигнин делает целлюлозу и гемицеллюлозу плохо перевариваемыми животными. Таким образом, проблема биоконверсии целлюлозы и гемицеллюлозы связана с процессом делигнинофикации.

Существуют различные способы разрушения лигногемицеллюлозного матрикса: химические, физические, ферментативные. Наиболее приемлемым способом является ферментативный способ гидролиза лигнина. С целью выделения лигнина используют способ «парового взрыва». В данной работе исследовали влияние химического способа на расщепление лигнина в качестве контроля за ферментативным гидролизом [1].

Биоконверсию лигнина проводили базидальными грибами, характеризующимися лигниназной, ксиланазной и целлюлолитической активностью.

При обмолоте зерна злаковых и бобовых культур получают грубый корм – солому. В ней много клетчатки (33-42%), мало протеина (3-7%) и жира (1,3-2,3%). Питательные вещества, содержащиеся в соломе, заключены в прочный лигнин-целлюлозный комплекс, который слабо разрушается в желудочно-кишечном тракте животных. Например, жвачные животные переваривают органические вещества соломы на 40-50%, лошади – на 20-30%. Чем выше содержание в соломе клетчатки, тем ниже ее кормовое достоинство. Поэтому целесообразно использовать солому для производства биотоплива: из целлюлозы, содержащейся в соломе, может производиться биоэтанол; биотопливо может производиться из соломы методом газификации; солому можно спрессовывать в топливные гранулы.

В соломе определяли количество целлюлозы и лигнина. Исследованы два образца отходов, которые высушивали, размалывали до частиц размером 1 мм, после чего определяли целлюлозу по модифицированному методу Ермакова А.И., лигнин – по Вильштетеру и Цехмейстеру [2]. Полученные данные приведены в таблице 1. Исследовали 2 образца соломы пшеницы и 2 образца соломы ячменя. Результаты приведены в таблице 1 (анализ на содержание целлюлозы и лигнина проводили в трех повторностях, в таблице приведены средние данные).

Таблица 1.

Содержание целлюлозы и лигнина в соломе пшеницы и ячменя 

Как видно из результатов анализа, в соломе ячменя содержание целлюлозы и лигнина значительно меньше, чем в соломе пшеницы, что, по-видимому, зависит от вида растений, климата, способов уборки, обмолота, хранения и других факторов. Процесс биоконверсии лигноцеллюлозных отходов в соломе пшеницы и ячменя проводили базидальными микроскопическими грибами.

Исследованиями установлено, что добавление к 15 г соломы 5 г пшеничных отрубей почти в 5 раз увеличило степень гидролиза целлюлозы и составило 22,3%; 21,2% по сравнению с опытом 1; 3, куда не добавляли.

Исследования показали неполноценность питательной среды, разбавленной в 2 раза, для культивирования базидальных грибов при использовании только стеблей, и в последующих опытах было необходимо добавлять отходы пищевой промышленности – пшеничные отруби или рисовую лузгу.

Таблица 2.

Биоконверсия лигноцеллюлозных отходов соломы пшеницы и ячменя базидальными грибами

В ходе исследований появился высокостабильный целлюлозный комплекс для высокоэффективного гидролиза лигноцеллюлозной биомассы, что позволит ускорить процессы биоконверсии растительной биомассы. Базидиомицеты являются хорошим продуцентом внеклеточных ферментов в постэкспоненциальную фазу роста. Дальнейшее их культивирование в заданных условиях позволит значительно ускорить процесс биоконверсии целлюлозы в связи с поддержанием их в условиях «сверхсинтеза» целлюлаз и др. ферментов.