Курс лекций для студентов специальности -48 02 01 «Биотехнология» Минск 2014 034)


Содержание основных компонентов в растительном сырье, %



Pdf көрінісі
бет24/63
Дата17.06.2022
өлшемі1,87 Mb.
#36984
түріКурс лекций
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   ...   63
Байланысты:
Tehnologiya-mikrobnogo-sinteza-El--konspekt-lekcij (2)

Содержание основных компонентов в растительном сырье, % 
Компоненты 
Древесина 
Сельскохозяйственные отходы 
Сосна Береза
Стержни 
кукурузных 
початков 
Пшеничная 
солома 
Подсолнеч-
ная лузга 
Полисахариды: 
– легкогидролизуемые 
(гемицеллюлозы) 17,8 
26,5 
37,9 23,4 21,9 
– трудногидролизуемые 
(целлюлоза) 47,7 
39,4 
33,4 
39,0 
28,7 
Лигнин 24,7 
19,7 
15,2 
24,5 
28,2 
Минеральные вещества 0,2 0,1 
1,1 
5,9 
2,2 
Теоретический
выход моносахаридов 72,5 73,2 79,3 
64,6 
52,8 
Степень полимеризации целлюлозы древесины составляет 3000–
8000. Макромолекулы целлюлозы за счет межмолекулярных водород-
ных связей образуют обособленные структуры (микрофибриллы) 
диаметром 3·10
–9
м. Причем плотность упаковки макромолекул в про-
дольном направлении неодинакова. Плотно упакованные участки 
(160–200 элементарных звеньев) чередуются с участками с рыхлой 
структурой (15–25 элементарных звеньев). Каждая макромолекула 
целлюлозы проходит через 10–20 плотных и рыхлых участков микро-
фибриллы. Содержание рыхлой фракции в древесной целлюлозе со-
ставляет 10–15%. Надмолекулярная структура целлюлозы определяет 
ее реакционную способность.
Участки с рыхлой упаковкой макромолекул целлюлозы гидроли-
зуются легко (катализатор имеет доступ к макромолекулам), гидролиз 
плотно упакованных участков протекает медленно, в гетерогенных 
условиях (катализатор действует на поверхности микрофибриллы, до-
ступ внутрь ограничен). 
Гемицеллюлозы, в отличие от целлюлозы, имеют нерегулярное 
строение, хотя большинство компонентов гемицеллюлоз можно от-
нести к полисахаридам со скрытой регулярностью строения. Основ-
ными полисахаридами гемицеллюлозной части лиственной древеси-
ны являются 4-о-метилглюкуроноксилан и глюкоманнан. Гемицел-
люлозы хвойной древесины представлены главным образом галакто-
глюкоманнаном и арабиногалактаном. Макромолекулы гемицеллю-
лоз построены из остатков различных моносахаридов. Степень по-
лимеризации гемицеллюлоз преимущественно 100–250 (70–600). 


67 
Макромолекулы имеют боковые цепи. В основных цепях преобла-
дают 1–4 β-гликозидные связи, в точках разветвления 1–2 β- (реже 
1–3 β- и 1–6 β-) гликозидные связи. 
Гидролиз гемицеллюлоз протекает быстро, в гомогенных условиях. 
Лигнин – инкрустирующий биополимер с дальним порядком ре-
гулярности строения. Макромолекула лигнина построена из фе-
нилпропановых структур: 
гваяцильный тип сирингильный тип 
п-гидроксифенильный тип 
Содержание лигнина в одревесневшей растительной ткани со-
ставляет 18–30% (содержится в первичной оболочке клеток и межкле-
точном веществе). Лигнин выполняет в основном механические 
функции (инкрустирующий полимер), придавая жесткость раститель-
ной ткани, прочность и биологическую стойкость древесине. В мак-
ромолекулах лигнина фенилпропановые структурные звенья связаны 
между собой разнообразными химическими связями (главным обра-
зом простыми эфирными и углерод-углеродными связями). Большин-
ство авторов считают, что нет строгого порядка в чередовании типов 
этих связей (известна модель фрагмента лигнина по Фрайденбергу). 
Для лигнина характерна гетерогенность (неоднородность) структуры, 
которая проявляется в наличии низкомолекулярной (в небольшом ко-
личестве) и высокомолекулярной фракций. 
Макромолекулы лигнина связаны между собой поперечными свя-
зями в различных направлениях, образуя трехмерную пространствен-
ную сетку. Имеются химические связи между лигнином и гемицеллю-
лозными полисахаридами растительной ткани (образуется суперсет-
чатая структура). 
При гидролизе растительного сырья лигнин образует негидроли-
зуемый остаток и затрудняет доступ катализатора к полисахаридам.
В производственной практике апробированы различные методы 
гидролиза растительных материалов: 
OH
C
C
C
CH
C
C
OH
H
3
CO
OCH
3
CH
CH
CH
2
OH
OCH
3
OH


68 
– гидролиз разбавленным раствором серной кислоты (0,5–0,6%); 
– гидролиз концентрированной серной кислотой (≥ 75%); 
– ферментативный гидролиз;
– автогидролиз. 
Механизм гидролиза состоит в том, что ион гидроксония (H
3
O
+
), 
образующийся в результате диссоциации серной кислоты в воде, про-
тонирует гликозидный кислород в макромолекуле полисахарида, что 
приводит к активации и разрыву гликозидной связи. По месту разрыва 
связи присоединяется молекула воды. 
Наиболее отработан в промышленных масштабах гидролиз раз-
бавленной серной кислотой при температуре 180–190°С. Процесс 
проводят в периодически действующих гидролизаппаратах объемом 
50–80 м
3
в режиме перколяции (протока) варочного раствора (0,5–
0,6% H
2
SO
4
) через слой гидролизуемого материала (смесь щепы 
и опилок). Длительное промышленное использование метода и разра-
ботанные приемы совершенствования перколяционного процесса не 
устранили его главных недостатков: больших затрат энергии (пара) на 
поддержание температуры процесса (180–190°С); низкой биологиче-
ской доброкачественности гидролизата, содержащего продукты рас-
пада моносахаридов (фурфурол, гидроксиметилфурфурол), ингиби-
рующие рост дрожжей – продуцентов белка; невысокого выхода мо-
носахаридов (46–48% от абсолютно сухой древесины). 
Гидролиз концентрированной серной кислотой проводят при тем-
пературе 50°С. При этом целлюлоза переходит в растворенное состоя-
ние и легко гидролизуется. Благодаря низкой температуре реакционной 
среды распад образующихся моносахаридов минимальный, биологиче-
ская доброкачественность получаемого гидролизата высокая. Однако 
этот метод гидролиза отягощен рядом технологических недостатков: 
большой расход кислоты на единицу массы сырья; сложность равно-
мерного распределения концентрированной кислоты в большом объеме 
гидролизуемого материала; необходимость подсушивания сырья для 
удаления влаги, разбавляющей кислоту; реверсия части моносахаридов 
в присутствии концентрированной кислоты (водоотнимающий агент) 
с образованием олигосахаридов, которые дрожжами-продуцентами 
белка не ассимилируются. 
Автогидролиз отличается тем, что катализатором процесса явля-
ется уксусная кислота, образующаяся в результате отщепления аце-
тильных групп гемицеллюлоз в присутствии воды в условиях высоко-
температуроной обработки (200–230°С). Промышленного значения 
этот процесс пока не имеет. 


69 
В настоящее время наиболее перспективен в переработке расти-
тельного сырья ферментативный гидролиз, осуществляемый с исполь-
зованием ферментных препаратов, обладающих целлюлазной актив-
ностью. Ферментативный гидролиз протекает при низкой температуре 
(40–50°С), что, помимо энергосбережения, практически исключает 
распад образующихся моносахаридов и накопление в гидролизате 
токсичных для продуцентов белка соединений. 
Однако при разработке технологического процесса выявлены 
недостатки метода, которые до настоящего времени не удается 
устранить: низкая скорость гидролиза целлюлозы, связанная с ее 
надмолекулярной структурой и блокированием углеводного ком-
плекса лигнином (продолжительность процесса ферментативного 
гидролиза около 50 часов); ингибирование ферментов конечными 
продуктами гидролиза; большой расход ферментного препарата при 
его высокой стоимости. 
Таким образом, единственным методом гидролиза растительного 
сырья, реализованным в промышленных масштабах, остается высоко-
температурный (180–190°С) гидролиз разбавленной серной кислотой. 
Основной углеродсодержащий субстрат в гидролизатах – углево-
ды, представленные пентозными (ксилоза и арабиноза) и гексозными 
(глюкоза, манноза и галактоза) моносахаридами, объединяемыми под 
общим названием редуцирующие вещества (РВ), а также органиче-
ские кислоты (главным образом уксусная и левулиновая). Содержание 
РВ в гидролизате − 3,0–3,5%. 
Перед биохимической переработкой гидролизаты подвергают 
кондиционированию: нейтрализация известковым молоком до рН 4,2–
4,4, удаление токсичных соединений продувкой воздухом, охлажде-
ние до температуры ферментации, обогащение гидролизного сусла 
биогенными элементами (азот, фосфор, калий). 
Промышленные продуценты белка на гидролизатах – дрожжепо-
добные грибы Candida scottii, Hansenula anomala, Trichosporon 


Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   ...   63




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет