Интенсификация биосинтеза этанола из инулинсодержащего сырья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.07, кандидат технических наук Керимова, Зуният Макашариповна

• Керимова, Зуният Макашариповна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Керимова, Зуният Макашариповна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 .Топинамбур - нетрадиционное сырье для спиртового производства.

1.2.Сравнительная характеристика кислотного и ферментативного способов гидролиза инулина.

1.3. Инулиназа микробного происхождения, физико-химические свойства и механизм действия.

1.4. Перспектива получения этилового спирта из инулиносодержащего сырья.

1.5. Характеристика дрожжей, применяемых для сбраживания топинамбура.

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Объекты и методы исследования.

2.1.1. Определение массовой доли инулина.

2.1.2. Определение инулиназной активности.

2.1.3. Подготовка сырья.

2.1.4. Культивирование дрожжей.

2.1.5. Методы контроля спиртового производства.

2.1.5.1. Определение активной кислотности.

2.1.5.2. Определение концентрации сбраживаемых углеводов.

2.1.5.3. Определение концентрации фруктозы (резорциновым методом).

2.1.5.4. Контроль осахаривания инулина.

2.1.5.5. Колориметрическое определение количества растворимых несброженных углеводов.

2.1.5.6. Газохроматографический метод определения этилового спирта и примесных соединений в бражке и в ректификованном спирте.

2.1.5.7. Органолептический метод оценки качества спирта ректификованного.

2.1.5.8. Микробиологический контроль.

2.1.6. Результаты исследований процесса ферментативного гидролиза.

2.1.6.1. Исследование свойств и физико-химических. показателей ферментов.

2.1.6.2. Влияние продолжительности гидролиза на накопление РВ в среде.

2.1.6.3. Влияние дозировки ферментного препарата. на степень гидролиза инулина.

Ф 2.1.6.4. Влияние температуры на эффективность осахаривания инулина.

2.1.6.5. Влияние начальной величины рН на гидролиз инулина.

2.1.6.6. Механизм действия инулиназ на инулин.

2.2. Исследование способов подготовки топинамбура к сбраживанию.

2.2.1. Влияние вводно-тепловой обработке топинамбура на выход спирта.

2.2.2. Определение оптимальной дозировки ферментного препарата РпкЛогуте Ь.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА ЛЕТУЧИХ ПРИМЕСЕЙ * БРАЖКИ ИЗ ТОПИНАМБУРА.

3.1. Показатели качественного состава микропримесей бражки.

3.2. Сравнительный анализ качественного состава летучих примесей бражки из топинамбура и из зернового сусла.

3.3. Влияние рас дрожжей на содержание микропримесей в спирте-сырце.

3.4. Метод планирования эксперимента. ф 3.5. Описание предлагаемой технологической схемы производства этилового спирта из топинамбура.

3.6. Расчет экономической эффективности производства спирта этилово-ректификованного.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация биосинтеза этанола из инулинсодержащего сырья»

Актуальность работы. Разработка технологии получения пищевых продуктов из нетрадиционных видов сырья с использованием ферментных препаратов приобретает все более широкое применение. Высокая специфичность ферментов требует подбора таких биокаталитических систем, в которых с одной стороны обеспечиваются достаточно высокая скорость протекающих процессов гидролитического расщепления полисахаридов, а с другой - вовлечение в систему высокопродуктивной нетрадиционной культуры, обеспечивающей получение целевых продуктов высокого качества с достаточно высокой рентабельностью.

Для решения поставленной задачи - биосинтеза этанола из инулинсо-дерлсащего сырья топинамбура использовались различные ферменты, которые имеют высокую гидролитическую активность и обеспечивают проведение процесса в рамках существующих промышленных технологий получения этанола из крахмалсодержащего сырья на основе серийного технологического оборудования.

Следует подчеркнуть, что процесс гидролиза полифруктанов в литературе освещен недостаточно, а имеющийся материал свидетельствует о низкой скорости гидролиза. Это, естественно, не позволяет осуществлять биосинтез этанола во временных рамках существующего регламента производства спирта ректификованного из крахмалистого сырья.

Поэтому исследования по выбору продуцента инулиназ, обоснование параметров гидролитического расщепления инулинсодержащего сырья, установлению факторов, влияющих на гидролиз полифруктанов, и организации производства спирта этилового ректификованного, соответствующего ГОСТу Р 51652-2000, является актуальной задачей.

Цель работы заключается в интенсификации гидролитического расщепления полифруктанов топинамбура с последующим ускорением процесса сбраживания сусла для производства этилового спирта ректификованного.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

• осуществлен подбор ферментных препаратов, обладающих высокой инулиназной активностью;

• определены физико-химические характеристики исследуемых ферментных препаратов;

• изучено влияние степени гидролиза инулина на процесс брожения и на выход целевого продукта;

• установлена зависимость состава зрелой бражки от способа подготовки сырья и определены технологические параметров сбраживания от состояния используемых рас дрожжей;

• разработана высокоэффективная технология ускоренного получения этанола из топинамбура.

Объектами исследования являются процессы ускоренного гидролитического расщепления полифруктанов из сусла клубней топинамбура весеннего и осеннего сбора 2004-05 гг Республики Дагестан, а также и ферментные препараты различного механизма действия. Выбор данных биотехнологических систем обусловлен необходимостью решения весьма экологически целесообразной технологической задачи - получение спирта из нетрадиционного сырья.

Методы исследования. Массовую долю инулина и инулиназную активность ферментных препаратов определяли по Бертрану, а содержание фруктозы установливали фотоколориметрически резорциновым методом.В качестве стандарта при определении инулиназной активности ферментных препаратов использовали инулин фирмы «Merk». Количество клеток в процессе сбраживания определяли подсчетом в камере Горяева. Содержание токсичных примесей определяли газохроматографическим методом на колонке HP FAAP 50 m 0,32 mm.

Оптимизацию процессов гидролиза инулина из топинамбура проводили при помощи методов планирования эксперимента.

Научная новизна работы заключается в:

• подборе биокаталитической системы инулин-фермент, позволяющей осуществить ускоренное гидролитическое расщепление полисахарида инулина на фруктозу;

• выявлении оптимальных условий действия, впервые нами использованного ферментного препарата, для гидролиза полифруктанов;

• изучении механизмов действия ферментных препаратов Fructozyme L и Aspergillus awamori 2250 гидролитического расщепления полифруктанов;

• разработке технологии серийного получения спирта ректификованного из топинамбура;

• проведении оптимизации процесса гидролиза сусла на основе методов математического планирования эксперимента.

Теоретическая и практическая ценность заключается в том, что развитые в работе подходы сравнительного изучения гидролиза инулинсодер-жащего сырья ферментами экзо- и эндодействия позволили установить специфичность их действия на инулинсодержащее сырье.

Разработана технологическая схема биосинтеза этанола из топинамбура, обеспечивающая гидролиз полифруктанов за 40 минут и заметное улучшение качества бражки и целевого продукта.

В результате проведенных исследований достигнуто сокращение времени сбраживания сусла топинамбура на 12 часов относительно регламентного.

Заключение диссертации по теме «Биотехнология пищевых продуктов (по отраслям)», Керимова, Зуният Макашариповна

выводы

1. Разработана высокоэффективная технология, позволяющая проведение ускоренного гидролиза, сокращение срока сбраживания, повышение качества и выхода спирта.

2. Изучены технохимические свойства и инулиназная активность ряда ферментных препаратов, обладающих гидролитической активностью, выявлены наиболее активные и селективные их формы.

3. Впервые нами использован для получения спирта ферментный препарат Ргайогуте Ь, значительно интенсифицирующий процесс гидролиза инулина с 3-х и более часов до 40 минут.

4. Изучен состав летучих примесных соединений бражки из топинамбура и установлено, что он зависит от способа подготовки сырья к сбраживанию и от способности к адаптации рас дрожжей.

5. На основе регрессионной модели, отражающей зависимость степени гидролиза инулина от трех факторов - температуры, рН и дозировки фермента, показано, что глобального минимума для заданных интервалов изменения всех трех параметров не существует; оптимальные значения t и 55,2 °С и рН « 5,48 процесса гидролитического процесса.

6. Разработан способ получения спирта из инулинсодержащего сырья, на которую получено положительное решение Российского Агентства по патентам и товарным знакам о выдаче патента от 21 ноября 2005 года

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Керимова, Зуният Макашариповна, 2005 год

1. Абелян В.А., Манукян Л.С., Африкян Э.Г. Получение фруктозо-глюкозного сиропа из инулинсодержащего сырья с применением иммобилизованных клеток дрожжей // Прикладная биохимия и микробиология. -1998. Т. 34. - №5. - С. 544-548.

2. Акопян Ю.Р. Разработка технологии получения фруктозного сиропа из топинамбура// Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1994. - 19с.

3. A.C. 1631070 СССР, МКИ С12 № 1/14, 9/24/ Павлова И.М, Нарсия Т.А, Калунянц К.А., Шаненко Е.Ф., Крименцова В.П., Зуниава Р.В., Слобод-кина Г.Б. -- №464700 213, Заявлено 06.02.89. 0пуб.28.02.91. Бюл. №12 -Юс.

4. Багаутдинова Р.И., Федосеева Г.П. Продуктивность и фракционный состав углеводного комплекса разных по скороспелости сортов топинамбура// Сельскохозяйственная биология. 2000. - №1. - С. 55-63.

5. Бархатов В.Ю., Мамедова Э.И. Рубан B.C. Способ гидролиза инулина топинамбура // Известия вузов. Пищевая технология. 1998. - №2-3. - С. 48-49.

6. Бобрик Л.Д., Гулий И.С., Лужко Г.А. Использование высоко- и низкотемпературного гидролиза для получения фруктозы из топинамбура // Топинамбур и топинсолнечник проблемы возделывания и использования: Тез. докл. П Всес. конф. — Иркутск, 1990. - С. 22.

7. Бобровник Л. Д., Лезенко Г.А. Углеводы в пищевой промышленности. -К.: Урожай, 1991.- 112 с.

8. Бобровник Л. Д. и др. Криосушка новый метод хранения топинамбура // Тез. докл. 3-й Всес. научн. - произв. конф.: "Топинамбур и топинсолнеч-ник - проблемы возделывания и использования". - Одесса. - 1991. - С. 118 119.

9. Бобровник Л.Д., Бахрина Т.Ю., Слюсаренко Т.П. и др. Витаминный состав топинамбура и его изменения в процессе технологической переработки // Деп. в АргоНИИТЭИПП 10.11.1988, №1948 пщ 88

10. Бобков П.К. Производство спирта из цикория и топинамбура. 1936

11. Вагабов М.З-В., Керимова З.М., Мальцева Т.В., Корнеева О.С. Применение ферментных препаратов с целью ускоренного гидролиза инулина при производстве этилового спирта / Биотехнология, 2003. №1 С.34-36

12. Варламов Т.П., Долгошеев A.M., Варламов А.Г., Зимин B.C. Технология и оборудование для глубокой переработки топинамбура: получение спирта // Тракторы и с/х машины. 1999. - №7. - с. 9-11.

13. Варламова К.А., Кошелев В.И., Серегин В.В. и др. Химический состав и пищевая ценность клубней некоторых сортов топинамбура // Проблемы возделывания и использования топинамбура и топинсолнечника: IV Межд. науч.-произв. конф. Воронеж, 1992. - с. 18-19.

14. Володин В.В., Брусов O.A. Углеводный состав клубней Helianthus tuberosus L // Мат. науч. конф. поев. 30-лет. Института биологии, 1992. -С. 9.

15. Вербина Н.М., Каптерева Ю.В. Микробиология пищевых производств. -М.: Агропромиздат, 1988. 256 с.

16. Геращенко И.Н. Исследование особенностей биосинтеза инулиназ бактериями.// Материалы научной конф. мол. ученых аспирантов и студ. Воронежская государственная технологическая академия. Воронеж, 1998. - С.97

17. Голубев В.Н., Мамонова Г.В. Сохранение качества клубней топинамбура // Хранение и переработка сельхозсырья. 1997. - №12. - С.20-23.

18. Голубев В.Н., Волкова Н.В., Кушалаков Х.М. Топинамбур, состав, свойства, способы переработки, области применения. М., 1995. - 82 с.

19. Голубев В.Н., Н.И.Пасысо, И.В.Волкова. Топинамбур пищевой, биоэнергетический и экологосберегающий ресурс. Хранение и переработка сельхозсырья. - 1994 г. - 5

20. Грачева И.М. Технология ферментных препаратов. М.: Высшая школа, 1988.- 80 с.

21. Гулый И.С., Донченко JIB., Карпович Н.С. др. Пектин, его свойства и производство (обзорная информация) // АгроНИИТЭИПП, 1992. Вып. 6. - 56 с.

22. Давидович С.М. Земляная груша. Сельхозиздат. М., 1957 стр.93

23. Донченко Л.В., Нелина В.В., Карпович Н.С. и др. Влияние температуры на экстрагирование пектина // Пищевая промышленность. 1988. -№6.-С.31.

24. Дудина И.С. Болезни и вредители топинамбура. М.: Пищевая промышленность. - 1935. - 85 с.

25. Жеребцов Н.А., Абрамова И.Н. Кинетика гидролиза инулина. Материалы 39 Отчетной научной конференции Воронежской Государственной технологической Академии за 2000 год, Воронеж, 2001. 4.1. Воронеж: Изд-во ВГТА. 2001, с.71-72.

26. Жеребцов Н.А., Корнеева О.С., Тертичная Т.Н. О механизме каталитического действия карбогидраз (обзор) /Прикладная биохимия и микробиология. 1999. -Т.З 5. --№2-С. 123-132

27. Жеребцов Н.А., Корнеева О.С., Тертичная Т.Н. О механизме расщепления (3-2,1 фруктозидных связей инулина инулиназой Aspergillus awamori 2250// Биохимия, 1995. - Т.60 -№1- с.158588

28. Зимин B.C., Варламов Г.П. Технико-экономическое обоснование переработки клубней топинамбура на порошок. АО "ВИСХОМ". - М: -1996. -27 с. Рук. деп. в ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш 10.10.1996; 1640 - тс 96.

29. Зеленков В.Н., Шаин С.С. Многоликий топинамбур в прошлом и настоящем. Новосибирск, 2000. - 241 с.

30. Зимин B.C. Экономическая эффективность механизации возделывания и переработки топинамбура // Автореф. дис. канд. экон. наук. М., 1997.-19с.

31. Инулиназа Saccharomyces cerevisiae: выделение, свойства. Материалы 39 Отчетной научной конференции Воронежской Государственной технологической Академии за 2000 год, Воронеж, 2001. 4.1. Воронеж: Изд-во ВГТА. 2001, с.74-75.

32. Кахана Б.М. О полисахаридах в ортогенезе топинамбура, Растительные полисахариды. 1970, стр. 52-74.

33. Кахана Б.М., Арасимович Б.В. Биохимия топинамбура. Кишинев, 1974.-88 с.

34. Калунянц К.А., Рогов С.И., Кочеткова A.A. и др. способ получения фруктозного сиропа из топинамбура. A.c. №1596518. СССр.1989

35. Калунянц К.А., Шаненко Е.Ф., Рублева E.JI. и др. Некоторые свойства микробных инулиназ // Биосинтез ферментов микроорганизмами: Тез. докл. IV Всес. конф. Ташкент, 1988. - С. 80-81.

36. Корнеева О.С. Карбогидролизы; препаративныое получение, структура и механизм действия на олиго- и полисахарид. Воронеж. 2001. -183 с.

37. Клесов A.A., Березин И.Ф. Ферментативный катализ. ч.1 Специфичность ферментативного катализа. М.; изд-во Московского университета, 1980.-264 с.

38. Климовский Д.Н., Стабников В.Н. Технология спирта. М.: Пищепро-миздат, 1955, с.278

39. Крикунова JI.H., Шаненко Е.Ф., Соколовский М.В. Патент №2161652, 28.02.2000

40. Крикунова JI.H., Александрова М.М., Ильяшенко Н.Г., Шаненко Е.Ф. Патент РФ № 2144084, 10.01.2000 г.

41. Корнеева О.С., Вагабов МЗ.В., Керимова З.М., Мальцова Т.В., использование инулинсодержащего сырья для получения спирта /VI Межд. симпозиум «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования». Сб докл. Пущино: ВНИИССОК, 2005.С.343-345

42. Корнеева О.С., Жеребцов H.A., Тертичная Т.Н. О механизме расщепления гликозидных связей в олиго- полисахаридах под действием гликози-даз // Вестник ВГТА. Воронеж.гос.технол. академия, 1997. №2 - С.60-71

43. Куев B.JL, Паулина Я.Б., Гончаров Н.И., Ползитис В.Г.// Тез.докл. Все-союз. конф. «Достиж. биотехнол. агропром. комплексу», г.Черновцы,44.