CC BY
29
М. В. Харина, Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев,
В. М. Емельянов, А. А. Галеева
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА
ГИДРОЛИЗА СОЛОМЫ ФЕРМЕНТНЫМ КОМПЛЕКСОМ NS22074
Ключевые слова: ферментолиз, солома, целлюлоза, редуцирующие вещества.
Проведены исследования по ферментативному гидролизу соломы при варьировании температуры, рН и концентрации фермента с целью получения ферментолизатов с максимальным содержанием редуцирующих веществ.
Key words: fermentolysis, straw, cellulose, reducing substances.
There was carried out studies on enzymatic hydrolysis of straw in the variation of temperature, pH and concentration of the enzyme in order to obtain hydrolysates with a maximum content of reducing substances.
Исследование процессов гидролиза растительного сырья и целлюлозы проводили на лабораторной установке [1, 2] для ферментативного гидролиза аналогично [3, 4] с использованием целю-лазного комплекса N822074 фирмы Новозаймс.
Исследование процессов фермента-тивного гидролиза проводили при гидромодуле 1:10 и более и в регулируемом температурном диапазоне 45-50°С и рН 5,0-5,5 [3].
В ходе экспериментальных исследований кинетики и оптимизации условий проведения процесса фермента-тивного гидролиза аналогично предыдущим исследованиям [3] измеряли значение рН в ферментолизате, скорость вращения мешалки, ток в цепи якоря электродвигателя, падение напряжения на якоре двигателя.
При проведении контрольных экспериментов в качестве источника целлюлозы использовали фильтровальную бумагу. В экспериментальных процессах - предварительно подготовленную солому [5].
Солома предварительно запаривалась в автоклаве при избыточном давлении 0,1 МПа в течение 3 часов в нейтральной (эксперимент 1), щелочной (эксперимент 2) и кислой среде (эксперимент 3).
Процессы ферментолиза проводили в соответствии с характеристикой применяемого ферментного препарата при поддержании активной кислотности и температуры в оптимальных диапазонах для данного фермента. Длительность процессов ферментолиза составляла от 8 до 72 часов.
Целлюлазный комплекс N822074 -
используется при гидролизе лигно-целлюлозных материалов. Данный комплекс катализирует распад целю-лозных материалов на глюкозу, целлобиозу и высшие полимеры глюкозы и может использоваться для снижения вязкости и увеличения выхода различных продуктов растительного
происхождения.
Количество подаваемого целлюлазного комплекса при ферментолизе варьировали от 5 до 40 мл (активностью 1,000 ЕвИ^). Для полного гидролиза доступной целлюлозы в глюкозу в сочетании с основным целлюлазным комплексом использовали дополнительные ферменты фирмы Новазаймс [6].
В эксперименте 1 использовались дополнительные ферменты: в -глюкозидаза в суммарном количестве 3 мл, в эксперименте 2 - ксиланаза в количестве 2 мл, в эксперименте 3 - в-глюкозидаза в количестве 1 мл.
Изменение концентрации РВ в контрольных и экспериментальных процессах ферментативного гидролиза представлены на рис. 1 - 4.
Массу полисахаридов, массу РВ и энергозатраты рассчитывали аналогично предыдущим ис-
Рис. 1 - Изменение концентрации РВ в контрольных процессах ферментативного гидролиза бумаги
' ♦ 0
хО ♦
S 0,2
S °,15
0 Зремя, час 6 1
Рис. 2 - Изменение концентрации РВ в процессе ферментативного гидролиза соломы предварительно запаренной в автоклаве в нейтральной среде с использованием дополнительных ферментов
Рис. 3 - Изменение концентрации РВ в процессе ферментативного гидролиза соломы предварительно запаренной в автоклаве в щелочной среде
Расчетные данные по конверсии субстратов и скорости проведенных процессов представлены в таблице 1.
Расчетные данные по удельным энергозатратам проведенных процессов представлены в табл. 2.
Время, час
Рис. 4 - Изменение концентрации РВ в процессе ферментативного гидролиза соломы предварительно запаренной в автоклаве в кислой среде
Таблица 1 — Расчетные данные по конверсии субстратов и скорости проведенных процессов______
Процесс T ср, °С pH ср РВ max, % Конвер- сия, % R, гРВ/л*час
Контроль 47,06 5,39 1,26 75,65 3,51
Эксперимент 1 49,36 5,02 0,37 21,91 1,78
Эксперимент 2 50,47 5,02 0,23 23,26 2,33
Эксперимент 3 48,23 4,94 0,54 32,46 3,52
Таблица 2 - Расчетные данные по удельным энергозатратам проведенных процессов
Процесс I, U, ^tmax, W, Вт ч Wуд,
А В ч Вт-ч/гРВ
Контроль 1,52 8,42 7,0 89,59 3,56
Эксперимент 1 1,60 6,70 4,0 42,88 5,79
Эксперимент 2 1,47 7,54 3,5 39,03 8,49
Эксперимент 3 1,52 8,37 3,0 38,17 3,53
Как следует из таблиц 1, 2, при применении целлюлазного комплекса NS22074 предобработку сырья наиболее целесообразно осуществлять в кислой среде. Для ферментного комплекса NS50012, исследованного ранее [3], наилучшие показатели процесса (конверсия, скорость процесса, удельные энергозатраты) достигнуты при ферментолизе соломы, предварительно запаренной в автоклаве в нейтральной среде при избыточном давлении 0,1 МПа в течение 3 часов. Однако из данных по конверсии субстратов ферментными комплексами NS22074 и NS50012 следует, что наилучшие показатели процесса ферментолиза предобработанной пшеничной соломы достигаются с применением препарата NS22074 (скорость ферментолиза выше в 1,7 раза, конверсия выше на 0,89%, снижение удельных энергозатрат в 0,68 раз).
Литература
1. Р.М. Нуртдинов, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, М.Ф. Шавалиев, И.В. Шагивалеев, И.А. Якушев, Вестник Каз. технол. ун-та, 2, 143 - 147, (2011).
2. А.С. Понкратов, Р.М.Нуртдинов, Вестник Каз. технол. ун-та, 22, 62-67, (2011).
3. М.В. Харина, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, Вестник Каз. технол. ун-та, 13, 210 - 212, (2012).
4. Р.М. Нуртдинов, Р.Т. Валеева, В.М. Емельянов, С.Г. Мухачев, М.В. Харина, Вестник Каз. технол. ун-та, 14, 211 - 214, (2011).
5. Р.М. Нуртдинов, Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, М.В. Ха-рина, Вестник Каз. технол. ун-та, 9, 264 - 267, (2011).
6. Новые ферменты «Нововзаймс» // Производство спирта и лекороводочных изделий, 1, 65-68, (2001).
7. С.Г. Мухачев, В.Н. Мельников, А.Р. Садыков, Б.Н. Иванов, Л.И. Корнилова, Вестник Каз. технол. ун-та, 2, 423429, (2003).
© М. В. Харина - асп., асс. каф. химической кибернетики КНИТУ, [email protected]; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доцент, зав. лабораторией «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» КНИТУ; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КНИТУ; А. А. Г алеева - магистрант КНИТУ.
