Способ получения этанола

Способ получения этанола

Реферат

Изобретение относится к спиртовой промышленности, в частности к способам получения этанола, и может быть использовано для производства технического спирта - ректификата.

Известен способ сбраживания мелассного сусла с конечным продуктом этанолом, где питательная среда содержит углеводосодержащие материалы, а именно мелассу, а также ряд веществ, являющихся источниками минерального и азотного питания: сернокислый аммоний, гидроортофосфатаммония (аналог 1 - Маринченко В.А., Метюшев Б.Д., Щвец В.Н. Технология спирта из мелассы. Изд. объединение «Вища школа», 1975. 284 с.).

Известен способ сбраживания мелассного сусла, предусматривающий культивирование дрожжей в течение 48 часов на питательной среде, где в качестве минерального и азотного питания используют геотермальную воду нефенольного класса с общей минерализацией 5.2-5.4 г/л, разбавленную водопроводной водой до минерализации 4.0-4.2 г/л, гидроортофосфат аммония, мелассу, где конечным продуктом является пищевой этанол (аналог 2 - Абрамов Ш.А., Халилова Э.А. Способ сбраживания мелассного сусла // Патент РФ 2329302. БИ №20.2008.).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ сбраживания мелассного сусла, предусматривающий разбавление мелассы геотермальной водой фенольного класса с общей минерализацией 2.1 г/л, добавление гидроортофосфата аммония в количестве 2.58 г/л и последующее сбраживание культурой дрожжей SaccharomycescerevisiaeY-503 глубинным методом в периодическом режиме в анаэробных условиях при температуре 30±2°C в течение 72 часов (Котенко С.Ц., Халилова Э.А., Исламмагомедова Э.А. Использование геотермальной воды фенольного класса в технологии биосинтеза этанола // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2010. №3. С.21-29. (прототип)).

Недостатками известных способов являются: трудоемкость технологического процесса, дополнительные затраты на приобретение питательных солей (аналог-1); недостаточно полное сбраживание введенного сахара и, как следствие, невысокий выход спирта (аналог - 2, наиболее близкий аналог (прототип)).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-технической информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, показал, что заявитель не обнаружил аналог, позволяющий получить технический спирт, тождественный всем существующим признакам заявляемого изобретения. Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого научно-технического решения критерию «новизна».

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - интенсификация технологического процесса получения этанола, улучшение качества бражки за счет повышения в ней содержания этанола и снижения летучих примесей.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении качества этанола за счет использования инокулята дрожжей с повышенной ферментативной активностью, снижения количества синтезируемых побочных метаболитов и увеличении его выхода за счет более полного сбраживания углеводов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения этанола предусматривает разбавление мелассы до содержания углеводов 20.0 г/100 см³ геотермальной водой фенольного класса с общей минерализацией 2.1 г/л, добавление в разбавленную мелассу гидроортофосфата аммония в количестве 2.58 г/л и концентрированной серной кислоты до pH 5.0 и последующее перемешивание, затем в полученную смесь вводят предварительно адаптированную к мелассным средам, разбавленным геотермальной водой фенольного класса, культуру дрожжей Saccharomyces cerevisiaeY-503, содержание клеток в которой составляет 84.7 млн/мл, и сбраживают глубинным методом в периодическом режиме в анаэробных условиях при температуре 30°C±1 в течение 120 часов, затем дрожжи отделяют от культуральной жидкости с получением обездроженной зрелой бражки и последующим извлечением из нее этанола.

Для интенсификации синтеза этанола в сбраживаемой мелассной среде и снижения нежелательных примесных соединений используется питательная среда, где в качестве дополнительного минерального и органического питания дрожжей служит геотермальная вода фенольного класса из скважины №7-Т Кизлярского месторождения с общей минерализацией 2.1 г/л.

Геотермальная вода скв. №7-Т характеризуется как гидрокарбонатно-хлоридно-сульфатная натриевая и имеет формулу:

M 2 .1 (HCO 3 48)CL46SO 4 7 Na97

По органолептическим показателям вода представляет бесцветную жидкость, без запаха, пресную с привкусом. В соответствии с существующей классификацией подземных вод Минздрава России такая вода может использоваться для технических нужд населения.

Преимуществом заявляемого способа по сравнению с известным прототипом является то, что данный способ позволяет осуществить не только более полное сбраживание углеводов, но и получить повышенное содержание спирта при снижении количества примесных соединений по сравнению с традиционной технологией. Кроме того, преимущество технологии по сравнению с прототипом складывается из следующих факторов:

1) В технологическом процессе спиртового брожения при идентичных температуре (30±2°C), pH (5.0) и использовании штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae Y-503 отличительным фактором в приготовлении инокулята и питательной среды для синтеза этанола, по сравнению с прототипом, является содержание углеводов в мелассных средах на последнем этапе адаптации и завершающем этапе спиртового брожения:

8.0-10.7-12.4-18.6 г/100 см³(прототип);

7.9-10.8-12.4-20.0 г/100 см³ (предлагаемое изобретение).

В таблице 1 показаны отличительные морфологические и технологические признаки предлагаемого изобретения и прототипа.

2) В нашем изобретении отличительным фактором являются также не только количество посевных дрожжей, но и их ферментативная активность, которая в значительной мере определяется условиями культивирования. В представленном изобретении это изменение состава среды (количество углеводов) в процессе образования инокулята, способствующее активации важных ферментов спиртового брожения: β-фруктофуранозидазы, альдолазы, пируватдекарбоксилазы, алкогольдегидрогеназы, улучшающие конструктивный обмен, направленный на биосинтез конечного продукта - этанола (таблица 2).

3) Для достижения поставленной цели в изобретении по сравнению с прототипом имеется отличительное соотношение «рабочий объем» и «объем химического сосуда», так как известно, что для реализации спиртового брожения очень важно соотношение воздушного пространства и среды, которое обеспечивает интенсивность аэрации воздухом культуральной среды для увеличения синтеза конечного продукта-этанола.

	предлагаемое изобретение	прототип
«рабочий объем заполнения» (субстрат+инокулят)	1450+150=1500 мл	270+30=300 мл
«объем химического сосуда»	3000 мл	500 мл
Соотношение	1/2	1/0.6

4) Таким образом, в технологическом процессе получения этанола увеличение продолжительности культивирования дрожжей (72 ч:120 ч, прототип : предлагаемое изобретение) и увеличение содержания углеводов в среде в предлагаемом изобретении на 7.5% по сравнению с прототипом приводит:

- к перестройке ферментного комплекса таким образом, что дрожжевые клетки оказываются более приспособленными к мелассной среде с повышенным содержанием углеводов;

- к интенсификации биосинтеза этанола на 11.8% (10.2:11.4 об.%, прототип:предлагаемое изобретение) и снижению примесных соединений на 6.5% по сравнению с прототипом;

- почти полному сбраживанию углеводов (1.68:0.75%, прототип:предлагаемое изобретение).

Выращивание дрожжей в соответствии с перечисленными факторами позволяет получить сырье - технический этанол лучшего качества по сравнению с прототипом и по традиционной технологии, в соответствии с ГОСТом 10749.9-80.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, приведены в примере и таблицах.

Пример

С целью интенсификации процесса сбраживания мелассного сырья и получения активной разводки (инокулят) для дальнейшего культивирования на среде с высоким содержанием углеводов культуру дрожжей S.cerevisiae Y-503 (А.с. СССР №1284998) предварительно адаптировали многократными пересевами к периодически обновляемым мелассным питательным средам с геотермальной водой фенольного класса из скв. №7-Т Кизлярского месторождения (МПСГВ) с содержанием углеводов 7.9-10.8-12.4-20.0 г/100 см³ в течение 5 суток в периодическом режиме в анаэробных условиях при температуре 30°±1.

Процесс сбраживания осуществляли на адаптированных дрожжах S.cerevisiaeY-503 в течение 120 ч глубинным методом в периодическом режиме в анаэробных условиях в лабораторной установке при температуре 30°C±1, pH 5.0 на питательной среде следующего состава г/л: меласса (в пересчете на 20.0 г/100 см³) 488.74; гидроортофосфата аммония 2.58; геотермальная вода с минерализацией 2.1 г/л с определенным качественным и количественным составом, необходимым для целенаправленного синтеза технического этанола - остальное.

Мелассу разбавляют геотермальной водой до содержания углеводов 20.0 г/100 см³, 2.58 г/л гидроортофосфата аммония, концентрированную серную кислоту для достижения pH 5.0 из расчета 0.4-0.6 мл на 100 г мелассы; содержимое хорошо перемешивают. Стерильную питательную среду разливают по 1.35 л в сосуды вместимостью 3 л, затем засевают вегетативной культурой указанного штамма в количестве 150 мл из дрожжевой суспензии последней стадии адаптации на МПСГВ, 1 мл которой содержит 84.7 млн/мл клеток. В качестве пеногасителя используют структол - 0.1 мл/1.5 л среды. По окончании 120 часового эксперимента дрожжи отделяют от культуральной жидкости центрифугированием (5000g, 15 мин) на лабораторной стационарной центрифуге ЦЛС - 344.2. На всех этапах исследований осуществлялся контроль за функциональной морфологией дрожжевой культуры и технологическими свойствами сбраживаемого субстрата. В обездроженной зрелой бражке определяют выход этанола, остаточный сахар.

Таким образом, получение технического этанола достигается при использовании в составе питательной среды геотермальной воды фенольного класса с минерализацией 2.1 г/л, содержании углеводов 20.0 г/100 см³ и накоплении дрожжевой популяции до 84.7 млн/мл. Показано преимущество предлагаемого способа спиртового брожения мелассного сырья практически по всем показателям на среде с геотермальной водой фенольного класса по сравнению с прототипом. К концу спиртового брожения общее содержание опытной дрожжевой популяции возросло, по сравнению с контролем, почти в 3 раза, что позволило более полно сбраживать сахара и синтезировать этанол. При этом ресурсы углеводного питания на опытной среде востребованы на 5.8% больше по сравнению с прототипом (таблица 1).

Профиль качественных показателей сброженного субстрата в предлагаемом изобретении указан в таблице 3.

Изобретение позволяет направить обмен веществ, происходящий в процессе производства спирта по такому метаболическому пути, который способствует интенсификации углеводного обмена в сбраживаемой среде и повышению содержания целевого продукта брожения - технического спирта (на 11.8%) по сравнению с прототипом.

Получение технического этанола с применением геотермальной воды фенольного класса может служить альтернативой существующим способам.

Библиография

1. Маринченко В.А., Метюшев Б.Д., Щвец В.Н. Технология спирта из мелассы. Изд. объединие «Вища школа», 1975. 284 с.

2. Абрамов Ш.А., Халилова Э.А. Способ сбраживания мелассного сусла // Патент РФ 2329302. БИ №20. 2008.

3. Котенко С.Ц., Халилова Э.А., Исламмагомедова Э.А. Использование геотермальной воды фенольного класса в технологии биосинтеза этанола // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2010. №3. С.27-29.

4. Абрамов Ш.А., Котенко С.Ц., Далгатова Б.И,. Эфендиева Д.А, Халилова Э.А. Способ получения питательной среды для выращивания хлебопекарных дрожжей // Патент РФ 2084519. БИ №20. 1997. С.270.

5. Абрамов Ш.А., Котенко С.Ц., Халилова Э.А., Исламова Ф.И., Омаров М.М. Способ получения сушеных дрожжей // Патент РФ 2151795. БИ №18. 2000. С.138.).

Таблица 1
Отличительные морфологические и технологические признаки в предлагаемом изобретении и прототипе
Показатели	Варианты
Предлагаемое изобретение	Прототип
Инокулят
1. Общее количество клеток, млн/мл	84.70	28.90
2. Форма и размер клеток, мкм	округло-овальные (80-90%), округлые (10%):6-7×7-8,6×8-8.5,9×9	округлоовальные, яйцевидные, 6×8.5-6×8
3. Количество почкующихся клеток, %	35.00	25.00
4. Количество мертвых клеток, %	0.05	6.50
Сброженный субстрат
1. Этанол, об.%	11.40	10.20
2. Остаточный сахар, г/100 см3	0.75	1.68
3. Потребление углеводов, %	96.25	90.97

Таблица 2
Активность ферментов штамма Saccharomyces cerevisiae Y-503 в зависимости от содержания углеводов в инокуляте с геотермальнойводой, E/мг
Ферменты, Е/мг	Варианты
Предлагаемое изобретение	Прототип
1. β-фруктофуранозидаза	35.1±1.42	32.5±1.58
2. альдолаза	0.41±0.01	0.35±0.02
3. пируватдекарбоксилаза	19.7±1.02	16.7±1.05
4. алкогольдегидрогеназа	0.65±0.05	0.57±0.04

Таблица 3
Содержание примесных соединений при сбраживании мелассных питательных сред с геотермальной водой фенольного класса дрожжами Saccharomyces cerevisiae Y-503
Продукт брожения	Единица измере ния	Варианты
Предлагаемое изобретение	Прототип
1. Ацетальдегид	мг/дм3	7007.650	7498.100
2. Ацетон	мг/дм3	101.720	108.990
3. 2-Бутанон	мг/дм3	10.095	10.602
4. Этил ацетат	мг/дм3	737.440	789.061
5. Метанол	об.%	0.011	0.012
6. 2-Пропанол	мг/дм3	10.495	11.429
7. 1-Пропанол	мг/дм3	5603.270	5995.500
8. Изобутанол	мг/дм3	1320.930	1413.694
9. 1 - Бутанол	мг/дм3	145.380	155.643
10. Изоамилол	мг/дм3	6006.160	6426.712
11. Гексанол	мг/дм3	38.160	40.952
12. Кротональдегид	мг/дм3	43.880	47.439
13. Фенилэтанол	мг/дм3	1074.720	1149.048
Сумма примесных соединений	мг/дм3	22099.911	23647.182

Способ получения этанола, характеризующийся тем, что предусматривает разбавление мелассы до содержания углеводов 20 г/100 см³ геотермальной водой фенольного класса с общей минерализацией 2,1 г/л, добавление в разбавленную мелассу гидроортофосфата аммония в количестве 2,58 г/л и концентрированной серной кислоты до pH 5,0 и последующее перемешивание, затем в полученную смесь вводят предварительно адаптированную к мелассным средам, разбавленным геотермальной водой фенольного класса, культуру дрожжей S. cerevisiae Y-503, содержание клеток в которой составляет 84,7 млн/мл, и сбраживают глубинным методом в периодическом режиме в анаэробных условиях при температуре 30°C±1 в течение 120 ч, затем дрожжи отделяют от культуральной жидкости с получением обездроженной зрелой бражки и последующим извлечением из нее этанола.