Байбакова Ольга Владимировна. Разработка технологии получения биоэтанола из нетрадиционного целлюлозосодержащего сырья

Короткий опис

Байбакова Ольга Владимировна. Разработка технологии получения биоэтанола из нетрадиционного целлюлозосодержащего сырья: диссертация ... кандидата Технических наук: 03.01.06 / Байбакова Ольга Владимировна;[Место защиты: ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности], 2017.- 150 с.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем химико-энергетических технологий
Сибирского отделения Российской академии наук
На правах рукописи

Байбакова Ольга Владимировна
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА ИЗ НЕТРАДИЦИОННОГО ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
Специальность 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент
Скиба Е.А.
Щелково 2017
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 5
1 Аналитические исследования 11
1.1 Поколения растительного биоэтанола 11
1.2 Источники биомассы для производства биоэтанола 12
1.3 Состав целлюлозосодержащего сырья 15
1.4 Способы предварительной обработки биомассы 18
1.4.1 Предварительная обработка разбавленным раствором кислоты 19
1.4.2 Предварительная обработка разбавленным раствором щелочи 21
1.4.3 Предварительная обработка физическим и биологическим методами 22
1.5 Осахаривание целлюлозосодержащих субстратов 23
1.6 Метаболические пути превращения глюкозы в этанол 24
1.7 Факторы, влияющие на конверсию биомассы в этанол 29
1.7.1 Последовательность проведения стадий осахаривания и сбраживания 29
1.7.2 Влияние температуры 32
1.7.3 Влияние рН 32
1.7.4 Концентрация субстрата 33
1.8 Характеристика летучих примесей, сопутствующих биоэтанолу 34
1.9 Промышленный выпуск биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья 36
1.10 Обзор зарубежных и российских патентов по теме диссертации 37
1.11 Обоснование выбранного направления исследований 40
2 Методическая часть 43
2.1 Характеристики используемого в работе сырья 44
2.1.1 Плодовые оболочки овса 44
2.1.2 Мискантус 45
2.2 Описание продуцентов, используемых для получения биоэтанола 46
2.3 Методики проведения экспериментов 47
2.3.1 Способы получения субстратов из плодовых оболочек овса и мискантуса.47
2.3.2 Приготовление инокулята 48
2.3.3 Последовательное осахаривание и сбраживание (ПОС) 49
2.3.4 Совмещенное осахаривание и сбраживание (СОС) 50
2.4 Реактивы, аналитическое оборудование и методики анализа сырья,
промежуточных и готовых продуктов 51
3 Результаты исследований и их обсуждение 57
3.1 Определение химического состава плодовых оболочек овса и мискантуса...57
3.2 Обоснование выбора продуцента для синтеза биоэтанола 57
3.2.1 Сбраживание синтетических углеводных сред 57
3.2.2 Сбраживание осахаренного субстрата технической целлюлозы
мискантуса 59
3.2.3 Изучение устойчивости штамма Saccharomyces cerevisiae Y-1693 к
продуктам своего обмена 61
3.2.4 Исследование устойчивости штамма Saccharomyces cerevisiae ВКПМ
Y-1693 к осахаренным субстратам 63
3.3 Последовательное осахаривание и сбраживание для технических целлюлоз из
плодовых оболочек овса и мискантуса 64
3.4 Совмещенное осахаривание и сбраживание для технических целлюлоз из
плодовых оболочек овса и мискантуса 69
3.5 Изучение процессов осахаривания и сбраживания для продуктов щелочной
делигнификации плодовых оболочек овса и мискантуса 71
3.5.1 Описание продуктов щелочной делигнификации 71
3.5.2 Результаты осахаривания и сбраживания продуктов щелочной
делигнификации 72
3.6 Исследование процессов осахаривания и сбраживания для продуктов
азотнокислой обработки плодовых оболочек овса и мискантуса 75
3.6.1 Характеристика продуктов азотнокислой обработки 75
3.6.2 Результаты осахаривания и сбраживания продуктов азотнокислой
обработки 77
3.6.2.1 Микробиологический анализ культуры дрожжей 80
3.6.2.2 Влияние ингибитора на стадию осахаривания 81
3.7 Результаты лабораторных исследований технологии получения
биоэтанола 85
3.8 Масштабирование по объему технологии получения биоэтанола 89
3.8.1 Разработка аппаратурно-технологической схемы получения биоэтанола...89
3.8.2 Масштабирование процесса получения биоэтанола из продукта щелочной
делигнификации 93
3.8.2.1 Исследование процесса биосинтеза кормового белка на барде с целью создания безотходного производства 97
3.8.3 Масштабирование процесса получения биоэтанола из продукта
азотнокислой обработки 98
3.9 Применение биоэтанола из плодовых оболочек овса в процессе
каталитической конверсии в этилен 103
3.10 Технико-экономическая оценка разработанной технологии биоэтанола из
плодовых оболочек овса в промышленном производстве 104
3.11 Связь работы с научными программами института 108
Выводы 109
Библиографический список 111
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 140
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 142
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 10 146
ПРИЛОЖЕНИЕ 11 148
ПРИЛОЖЕНИЕ 12 150

Список літератури

Выводы
1 Разработана и масштабирована в условиях опытно-промышленного производства технология получения биоэтанола из нетрадиционного целлюлозосодержащего сырья на примере плодовых оболочек овса и мискантуса.
2 Обоснован выбор продуцента для получения биоэтанола. Показано, что штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae Y-1693 устойчив к продуктам своего обмена и к отсутствию питательных веществ в среде, с преимуществом второго фактора. Выявлена устойчивость дрожжей к осахаренным субстратам технических целлюлоз плодовых оболочек овса и мискантуса.
3 Экспериментально установлено, что выход биоэтанола из 1 т сырья для каждого способа предварительной обработки выше на 6,5-36,0 % при использовании плодовых оболочек овса. Показано преимущество одностадийной предварительной химической обработки ПОО и М разбавленными растворами гидроксида натрия или азотной кислоты. Выход биоэтанола из 1 т сырья для ПАО ПОО составил 18,3-20,0 дал/т, для ПЩД ПОО 14,5-16,8 дал/т, для мискантуса - 16,5-19,3 дал/т и 13,2-15,7 дал/т соответственно.
4 Выявлено, что совмещенное осахаривание и сбраживание является более эффективным по сравнению с последовательным процессом и обеспечивает больший выход биоэтанола из 1 т сырья для обоих видов сырья независимо от способа их предварительной химической обработки.
5 Разработана нормативная документация и аппаратурно-технологическая схема для получения биоэтанола, и масштабирована технология получения биоэтанола из плодовых оболочек овса, обработанных в одну стадию разбавленным раствором гидроксида натрия или азотной кислоты в условиях опытно-промышленного производства. Показано, что выход биоэтанола из ПОО составил 16,8-17,9 дал/т.
6 Показана возможность получения кормовых дрожжей на послеспиртовой барде ПЩД ПОО, эффективность конверсии РВ с применением Pichia stipitis ВКПМ Y-3263 составляет 90,6 %, эффективность конверсии пентоз - 47,8 %, общая численность дрожжей - 350 млн КОЕ/мл.
7 Полученный по разработанной технологии биоэтанол применен для получения этилена по технологии, разработанной в ИК им. Г.К. Борескова СО РАН. Прогнозируемый выход этилена в условиях производства составит ~56- 83кг на 1 т плодовых оболочек овса.
Проведена технико-экономическая оценка разработанной технологии в промышленном производстве. Установлено, что с учетом производительности завода 1 288 640 дал/год биоэтанола из ПАО ПОО и продажи попутной продукции, себестоимость 1 дал биоэтанола составит 425,4 руб. или 42,5 руб. за 1 л биоэтанола.