Исследование влияния режимов заморозки при технологии получения биоэтанола из топинамбура на выход сахаров

Для улучшения экологической ситуации в мире крупные промышленные объекты перешли на альтернативные способы получения нефтяных топлив. Для сохранения и повышения октанового числа в горячих материалах применяют добавку в виде этанола. Это наиболее привлекательный оксигента в сравнении с другими веществами:  из него производят вторичные продукты, чья мощность выше, экологический показатель больше [7, 14, 23].

Конверсия растительной биомассы достигается за счёт присутствия дрожжей. Спиртовые дорожки на растительных гидролизатах получают из технического биоэтанола, чтобы потом применить в топливной промышленности, как экологический продукт: процесс позволяет улучшить экологическую ситуацию в России до 67%. При этом ресурс двигателя машины значительно вырастает; сокращается использование ресурсов, которые не способны использоваться вторично, значит, и коэффициент загрязнения будет ниже. Топинамбур отличается высокой морозостойкостью, это отличное сырьё для использования в машиностроении и фармакологии.

Культуру можно использовать и в отраслях народного хозяйства: клубни служат пищей для скота и людей [1, 3]. Так, например, в Бразилии каждый второй ездит на биологическом топливе – октановое число топливных добавок выше коэффициента 100. Это позволяет удерживать скорость горения в несколько минут. Однако не присадка (добавка биоэтанола), а использование чистого продукта даёт возможность ещё больше экономить на выбросах.

Биоэтанол, как продукт переработки сахарного тростника, пользуется популярностью не только в автопарках [4, 18]. Учёные отметили, что культура пользуется «вниманием», потому что в период роста на поле тростники поглощают до 80% вредных веществ. Эти растения стали выращивать интенсивно возле дорожных полотен для поглощения выбросов газов. Так, 1 га территории может обеспечить кислородом 80 человек. Лес «делает свою работу» в два раза меньше.

В США, Бразилии и Канаде топинамбур используют для получения спиртовых основ. Биоэтанол в чистом виде добывают в Австрии, Венгрии. Учёные выяснили, что в химическом составе углеводного комплекса топинамбура присутствует фруктоза, а это отличный вариант сбраживания сахаров. Спирт в размере 80 л получают с 1 тонны собранных клубней, 45 л со стеблей. Это в несколько раз больше, чем добыча спирта из свеклы, картофеля и пшеницы [16, 17].

В фармакологии спирт получают из инулинсодержащего сырья. Топинамбур измельчается, смешивается с водой и подвергается тепловой обработке. В течение 22,5 часов смесь охлаждается и оставляется на 28 часов для брожения [5, 6]. На выходе получается спирт. Его отгонку осуществляют острым паром, чтобы водно-спиртовой конденсат можно было подвергнуть ректификации [12, 11]. В итоге получается абсолютный алкоголь в размере 54% и содержащий спирт состав [8, 15, 19, 22].

Материалы и методика исследований.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории биотехнологии Орловского ГАУ и в Орловском региональном биотехнологическом центре сельскохозяйственных растений.

В работе использовали стандартные методы физико-химического анализа, микробиологические и органолептические исследования, а также современные методы анализа: спектрофотометрию.

Результаты и их обсуждение.

Разные направления биотехнологических производств предъявляют специфические требования к сырью, но одно и в первую очередь необходимое требование для всех производств - высокое содержание полисахаридов, т.е. целлюлозы, крахмала, гемицеллюлоз.

Этому требованию, согласно данным химического состава, удовлетворяют клубни топинамбура сорта Интерес. Так, содержание полисахаридов в них колеблется от 30 до 58%, а инулина в частности до 50 % в зависимости от времени уборки, кроме того, он служит хорошим источником сбраживаемых сахаров. Эффективность превращения углеводов составляет от 80 до 95%. Из известных способов гидролиза полисахаридов более приемлемым для данного вида сырья может быть кислотный способ гидролиза

На первом этапе для совмещения стадии извлечения моносахаридов и инверсии олигосахаридов проводили гидролиз топинамбура разбавленной минеральной кислотой. В данной работе в качестве катализатора реакции гидролиза была выбрана ортофосфорная кислота, обладающая наибольшей каталитической активностью.

Известно, что при температуре ниже нуля по Цельсию, в клубнях топинамбура по аналогии с клубнями картофеля, запускается процесс распада полисахаридов на более простые элементы, в том числе глюкозу, кроме того в клубнях топинамбура так же имеются и ферменты для гидролиза крахмала, эти ферменты активизируются тоже после холодов, таким образом увеличивается количество сахаров необходимое для дальнейшего сбраживания и получения биоэтанола.

Доказано, что при +20 градусов клубни выдают 100% сахара, а при -7 на 4,8% больше. Пик содержания сахаров приходится на -4 градуса: сахар увеличивается до 5,6% [9, 13]. Это исследование очень важно, так как сейчас для медицинских целей топинамбур обрабатывают путём гидролиза. При снижении температуры процесс добычи сахаров уменьшается по времени (табл. 1). Это позволяет за несколько дней добыть спирт, как за неделю при комнатной температуре. Ортофосфорная кислота выделяется из биомассы при -7 градусах. В итоге засахаренное сусло сокращает длительность брожения до 14 часов [2, 10, 20, 21].

Таблица 1 – Влияние низких температур на содержание сахара в клубнях топинамбура

Варианты исследования	Температура для охлаждения, 0С	Время воздействия,ч	Содержание общего сахара в образце, %
1	-1	24	4,6
2	-1	48	4,6
3	-4	24	5,6
4	-4	48	5,6
5	-7	24	4,9
6	-7	48	4,9
7	-12	24	4,1
8	-12	48	4,2
9	+ 22	48	3,0

Для сбраживания сусла использовали промышленные штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Процесс брожения проводили в анаэробных условиях. Такие параметры, как температура и продолжительность процесса брожения, на основании практических данных, согласно технологическим регламентам гидролизных заводов, были застабилизированы на постоянном уровне: температура – 35 °С, продолжительность – 24 ч. В процессах биоконверсии растительного сырья важное значение имеет предобработка, то есть использование дополнительных методов воздействия на сырье, в целях извлечения труднодоступных сахаров и перевод их в сбраживаемые сахара.

Как установлено в результате анализа химического состава топинамбура сорта Интерес, большую его часть составляют полисахариды, для перехода которых в сбраживаемые сахара воздействие только лишь физическими методами оказывается недостаточным.

Для осуществления процесса гидролиза при биоконверсии растительного сырья широко используется метод кислотного гидролиза.

Реакция гидролиза полисахаридов является обратной процессу их образования из моносахаридов. Полный гидролиз полисахаридов приводит к образованию моносахаридов – целюллоза, крахмал и гликоген гидролизуются до глюкозы.

Нами были применены различные вариации гидролиза биомассы топинамбура сорта Интерес с применением фосфорной кислоты (табл. 2).

Таблица 2 – Результаты кислотного гидролиза клубней топинамбура

Режим гидролиза, при С	Гидромодуль	рН	Характеристика гидролизата
			Содержание общего сахара, %	Массовая концентрация общего экстракта, г/100см3	Сухое вещество,%
1	2	3	4	5	6
1 атм, 10мин + H3PO4 (-1)	2500:200	3,21	14,0	7,476	4,5
1 атм, 20мин +H2SO4 (-1)	2500:200	2,98	14,1	8,772	4,4
1 атм, 10мин+ H3PO4 (-4)	2500:200	3,2	17,0	7,83	6,1
1 атм, 20мин+ H3PO4 (-4)	2500:200	3,21	17,4	7,653	7,0

Продолжение таблицы 2

1	2	3	4	4	6
1 атм, 10мин+ H3PO4 (-7)	2500:200	5,53	24,2	9,066	3,8
1атм 20мин+ H3PO4 (-7)	2500:200	4,4	24,9	9,036	4,0
1 атм, 10мин+ H3PO4 (-12)	2500:200	5,32	18,0	9,122	3,1
1атм 20мин+ H3PO4 (-12)	2500:200	4,3	18,0	9,096	3.9
1атм 10мин+ H3PO4 (-12)	2500:200	3,1	10,2	7,345	3,4
1атм 20мин+ H3PO4 (+19)	2500:200	3,1	14,0	1,234	3,4

Установлено, что наиболее эффективными режимами гидролиза клубней топинамбура, при котором в гидролизате накапливается наибольшее количество общего сахара, в том числе и сахарозы, являются параметры гидролиза: 1 атм, 20 мин+H3PO4 при гидромодуле 2500:200, температура охлаждения -7 оС, при котором концентрация сахаров в гидролизате составляет 24,9 % и 1 атм.

По физико-химическим показателям биоэтанол, полученный из клубней топинамбура, соответствует ГОСТу 17299-78 «Спирт этиловый технический».

Очистку и перегонку полученного опытного образца биоэтанола из клубней топинамбура проводили методом ректификации.

По итогам экономического расчета можно сделать вывод, что за счет применения предлагаемой технологии изменяется себестоимость биоэтанола в сторону ее уменьшения, а именно цена продукции, выработанной с использованием новой технологии на 20% ниже.

Выводы.