Введение к работе
. Актуальность проблемы. В настоящее время все развитые страны
уделяют большое внимание проблеме парникового эффекта. Согласно решению Конференции ООН по окружающей среде и развитию [Рио-де-Жанейро, 1992 г.], выброс парниковых газов к 2000 г. должен быть сокращен до уровня 1990 г. при одновременном сохранении темпов роста промышленности. Однако, оценка выбросов диоксида углерода за последнее десятилетие, проводимая ООН, зафиксировала повышение уровня на 20-25%. Таким образом, необходимость снижения эмиссии углерода стала глобальной мировой задачей.
Помимо глобальных экологических задач, существуют локальные
задачи, требующие немедленного разрешения. В России, гфи сегодняшней
стагнации промышленности, такой проблемой, особенно для больших
городов, стали отработанные газы двигателей автомашин. В Москве, по
данным экологической милиции, их доля достигает 85% от общих выбросов
парниковых газов. . .
В США для 9 наиболее загазованных городов проблема решается путем введения бензина новой формулы, содержащего оксигенаты. Наиболее распространеной добавкой в бензин является этанол. Смесь бензина с 10-20% этанола может использоваться в обычных двигателях без конструктивных изменений. Добавка этанола заменяет тетраэтилсвинец, используемый для повышения октанового числа и, как следствие, почти полностью прекращает загрязнение свинцом почвы и атмосферы.
Если прогнозировать получение этанола на перспективу - есть один способ - биотехнологический. Для того, чтобы этот способ получения этанола стал экономичным и экологичным, необходимо, чтобы он был замкнутым.
Этим аспектам и посвящена данная работа, .'являющаяся составной частью исследований Экобиоцентра Института биохимии им. А. Н. Баха РАН и РУДН, направленных на создание экологически чистой технологии утилизации сельскохозяйственных, промышленных и городских отходов растительного происхождения.
Целью настоящей работы является оптимизация процесса ферментативной деструкции целлюлозосодержащего сырья, включающая в себя : выбор и разработку аппаратурного оформления процесса, условия проведения ферментативного гидролиза, анализ полученных сахарных сиропов1, моделирование и оптимизацию процесса ферментативного гидролиза лигноцеллюлозного сырья с подпиткой исходным субстратом в ходе гидролиза, моделирование процесса культивирования гриба-продуцента целлюлаз на лигноцеллюлозных отходах .после ферментативного гидролиза.
Научная новизна:
1. Предложена схема циклической переработки растительного сырья,
позволяющая повысить степень экологической безопасности процесса.
2. Показана возможность ферментативного гидролиза
концентрированных суспензий лигноцеллюлозного сырья с содержанием
субстрата 20-25% по массе.
3. Разработан и испытан новый тип биореактора, позволяющий
проводить гидролиз вязких концентрированных суспензий в режиме
непрерывной подгрузки субстрата и отвода растворимых продуктов
гидролиза.
-
Получены концентрированные растворы Сахаров с содержанием глюкозы до 16%.
-
Разработана математическая модель двухстадийного процесса переработки растительного сырья, состоящей из стадии ферментативного гидролиза с подпиткой и стадии культивирования гриба-продуцента целлюлаз на лигноцеллюлозных отходах гидролиза.
6. Разработан новый принцип управления процессом ферментативного
гидролиза лигноцеллюлозы, основанный на анализе изменения вязкости
суспензии субстрата в условиях непрерывной деструкции его частиц.
Предложена эмпирическая формула расчета относительной вязкости такой
системы в процессе гидролиза.
Практическая значимость работы. Предложенная схема двухстадийной утилизации растительного сырья является малоотходной, т. к. культивирование микроорганизмов ведется на' твердых отходах стадии гидролиза, что одновременно снижает себестоимость ферментного препарата.
Разработаны методы ферментативного гидролиза отходов производства фурфурола для получения концентрированных сиропов Сахаров, с целью их последующего сбраживания в этанол. Эти методы являются экологически более безопасными по сравнению с применяемыми в отечественной гидролизной промышленности, а получаемые основные и побочные продукты могут быть использованы без какой-либо дополнительной очистки.
Предложены варианты упрощения аппаратурного оформления процесса гидролиза сырья, позволяющие сделать его менее энерго- и материалоемким за счет совмещения нескольких циклов (гидролиз и фильтрация).
Разработанная математическая модель показала пути оптимизации и управления процессом.
Апробация работы. Результаты дисертации представлялись на 8 Европейской конференции по использованию биомассы в энергетике, сельском хозяйстве, экологии, промышленности (Австрия, 1994), XXX научной конференции факультета физико-математических и естественных наук (РУДН, 1994), Международной конференции Биокатализ-98 (Пущино,
1998), Международной конференции молодых ученых по производству этанола из лигноцеллюлозного сырья (Норвегия, 1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,