VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Введение. Одним из ключевых вопросов получения лигноцеллюлозного продукта из биовозобновляемых источников является выявление наиболее доступных и технологически удобных источников сырья. При этом необходимо рассматривать такие параметры как локализация сырья, урожайность, стоимость, сезонная продуктивность культуры, возможность эффективной транспортировки и локальной концентрации запасов сырья, содержание углеводов, степень готовности сырья к микробиологическим превращениям, получение ценных сопутствующих технологических продуктов Основным фактором, сдерживающим биотехнологическую переработку углеводсодержащего растительного сырья с получением моно и полисахаридов, является невысокая рентабельность этих производств, обусловленная недостатками подготовки сырья, высокими энергозатратами, низким выходом целевого продукта, образованием большого количества стоков, особенно на стадиях его выделения и, как следствие, низкой экологичностью всего процесса. Эта проблема может быть преодолена при решении задачи максимального использования исходного сырья по ресурсосберегающей экологически целесообразной технологии [1].

Для решения данной задачи нами были определены современные ресурсы углеводсодержащего сырья Республики Казахстан. В дальнейшем был изучен химический состав выбранных углеводсодержащих промышленных и сельскохозяйственных отходов. Основываясь на этих результатах были в качестве оптимальных по составу для проведения деполимеризации полисахаридов выбраны следующие отходы - гуза-пая и пивная дробина.

Поэтому актуальной является разработка научного оборудования и приемлемой технологии для осуществления процессов деполимеризации углеводсодержащего растительного сырья. Показано, что экономически целесообразно использовать углеводы, содержащиеся в дешевом и широко распространенном растительном сырье. Однако их эффективное превращение в биологически усвояемые сахара – сложная задача, над которой работают научные коллективы во всем мире [2].

Основным фактором, сдерживающим биотехнологическую переработку углеводсодержащего растительного сырья с получением моно и полисахаридов, является невысокая рентабельность этих производств, обусловленная недостатками подготовки сырья, высокими энергозатратами, низким выходом целевого продукта, низкой экологичностью всего процесса.

В настоящее время в Республике Казахстан нет подобных производств, отсутствует также исследовательское технологическое оборудование, позволяющее на лабораторной стадии оценить технико-экономические характеристики соответствующих технологий, что затрудняет решение вопросов определения перспективы внедрения в производство получаемых научных результатов. Поэтому разработка научного оборудования и приемлемой технологии для осуществления процессов деполимеризации углеводсодержащего растительного сырья является чрезвычайно актуальной задачей [3,4].

Методы исследований. Методы, основанные на ферментативном гидролизе полисахаридов лигноцеллюлозы, требуют применения эффективных способов повышения реакционной способности исходного сырья. Наибольшее распространение получили комбинированные методы, сочетающие химическую и механическую обработку. Обычно сначала удаляется существенная часть гемицеллюлозы, в ряде случаев и лигнина. Продукты частичного кислотного гидролиза используют для получения ксилозы, ксилита, сопутствующих коммерческих продуктов. Промежуточный продукт, обогащенный целлюлозой, подвергают механической активации и последующему ферментативному гидролизу с получением глюкозы. Комбинированные методы и методы прямого ферментативного гидролиза часто сталкиваются с проблемой инактивации ферментативных комплексов, используемых для осахаривания, побочными продуктами кислотного гидролиза, неуглеводными компонентами сырья [5].

Разработка комплексной переработки путем осуществления процессов деполимеризации полисахаридов углеводсодержащих сельскохозяйственных и промышленных растительных отходов позволит не только улучшить экологическую ситуацию, но и получить сырье и дополнительные продукты для химической промышленности и биотехнологических производств

Целью данного исследования является осуществление выбора оптимальных по объему образования и химическому составу углеводсодержащих сельскохозяйственных и промышленных отходов, пригодных для проведения процесса деполимеризации природных полисахаридов.

Результаты и их обсуждение.

В настоящей работе исследовались некоторые виды растительного сырья, образующиеся в качестве отходов в аграрном и промышленном секторе Республики Казахстан. Прежде всего, изучен химический состав стержней початков кукурузы, гуза-паи, рисовой лузги, пивной дробины и мелассы, которые пока не используются в промышленных масштабах [6,7].

Предварительно исследуемое растительное сырье измельчалось и сортировалось. Для химических анализов использовалось сырье, фракционированное через сита с размером частиц 2-3 мм.

Химические анализы проводились с помощью следующих методик:

• зольные вещества - сжиганием навески сырья с последующим прокаливанием в муфельной печи при температуре 600° С;

• содержание легко- и трудногидролизуемых полисахаридов определяли по методу Кизеля и Семигановского ;

• лигнин - по методу Кенига в модификации Комарова с использованием 72%-ной серной кислоты;

• пентозаны - по содержанию пентоз в гидролизатах легко- и трудногидролизуемых полисахаридов;

Известно, что отходами сельского хозяйства являются стебли хлопчатника (гуза-пая), кукурузы, подсолнечника, кукурузная кочерыжка, хлопка, риса и т.д. К промышленным пищевым отходам относится пивная дробина и меласса [8].

Для расширения ассортимента используемого для деполимеризации полисахаридов растительного сырья были проанализированы статистические данные по посеву сельхозкультур в Республике Казахстан.

Республике Казахстан производится достаточное количество сельхозкультур, отходы переработки которых создают необходимую базу для осуществления процессов деполимеризации природных полисахаридов с целью получения моносахаридов, полиолов, биоэтанола и кормовых добавок. В дальнейшем нами было протестировано выбранное растительного сырья с целью определения пригодности его для процессов деполимеризации полисахаридов, так как химический состав его зависит от культуры, сорта, почвенно-климатических условий, агротехники, срока и условий хранения и других факторов.

Как следует из рисунка 1, химический состав современных углеводсодержащих отходов находится в примерных соответствиях с ранее опубликованными данными других зарубежных и отечественных исследователей (1-рисунок). Основываясь на полученных результатах исследования химического состава, с учетом объема ежегодной выработки отходов, нами в качестве оптимальных для проведения деполимеризации полисахаридов выбраны гуза-пая и пивная дробина.

Рисунок 1-Химический состав отходов производств по переработке с/х сырья, масс %

Выводы. Таким образом, проведено систематическое исследование ежегодно возобновляемых ресурсов углеводсодержащих сельскохозяйственных и промышленных отходов в республике Казахстан. Цель данного исследования – определения уровня достаточности объема образующихся отходов для осуществления процессов деполимеризации находящихся в них полисахаридов. Нами определено, что ресурс интересующих нас отходов вполне достаточен для дальнейшей реализации поставленной задачи. Результаты химического анализа образующихся отходов и их оценка их количества позволило нам остановиться на пивной дробине и гуза- пае.

Литература

[1] Аблаев А.Р. Процессы гидролиза лигноцеллюлозсодержащего сырья и микробиологическая конверсия продуктов в анаэробных условиях. Диссертация на соискание кандидата технических наук. Казань ( 2011) г.

[2] Нуритдинов Р.М. Эффективность процессов осахаривания соломы и оценка качества гидролизатов для культивирования сахаромицетов. Диссертация на соискание кандидата технических наук. Казань (2012)г.

[3] Панфилов В.И. Биотехнологическая конверсия углеводсодержащего растительного сырья для получения продуктов пищевого и кормового назначения. Диссертация на соискание кандидата технических наук. Казань (2004)г

[4] Харина М.В. Предобработка и ферментативный гидролиз лигноцеллюлозсодержащих отходов сельского хозяйства. Диссертация на соискание кандидата технических наук. Казань (2013)г.

[5] Сушкова В.И., Воробьёва Г.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества.– Киров, 2007.– 204с.

[6]Сербина Т.В. Разработка технологии активных углей из гуза-паи. Автореф. Дис….канд.техн.наук. М. 1993.-56 с.

[7] Харина М. В., Емельянов В.М. Исследование кинетики высокотемпературного гидролиза свекловичного жома сернистой кислотой // Вестник КТУ, №18. (2013)106-191-193с.

[8]Харина М. В., Емельянов В. М., Аблаев А. Р., Мокшина Н.Е., Ибрагимова Н. Н., Горшкова Т. А. Динамика выхода углеводов при высокотемпературном гидролизе пшеничной соломы сернистой кислотой // Химия растительного сырья. 2014. -№1-. С. 53-59.

Код для цитирования: Скопировать