способ микробиологической обработки целлюлозосодержащих материалов

Формула изобретения

1. Способ микробиологической обработки целлюлозосодержащих материалов, включающий выращивание на целлюлозном материале микроорганизмов, отличающийся тем, что на целлюлозосодержащем материале выращивают консорциум микроорганизмов, содержащий культуру микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus) и культуру микроорганизма Allescherie terrestris, взятых в соотношении от 1:10 до 10:1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют штамм микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus), коллекционный номер ГСБ ТБ14Г в Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют штамм микроорганизма Allescherie terrestris, коллекционный номер ГСБ ТБ13Г в Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых культур.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно увлажняют целлюлозосодержащий материал до содержания влаги 60-80%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание сухих клеток используемого консорциума составляет от 1 до 6% от содержания лигнина в исходном целлюлозосодержащем сырье.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс обработки проводят в течение 1-5 суток.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание целлюлозы и гемицеллюлозы в исходном сырье составляет от 70 до 88%, а содержание лигнина от 5 до 25% от абсолютного сухого вещества.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биотехнологического производства и может быть использовано при переработке целлюлозосодержащего сырья с целью получения кормов для сельскохозяйственных животных или органо-минеральных удобрений, а также при получении технического этилового спирта, бумаги, картона, синтетических нитей.

Ежегодный естественный прирост целлюлозы в мире составляет около 100 миллиардов тонн. Использование даже части целлюлозосодержащего сырья приводит к накоплению огромного количества целлюлозосодержащих отходов: соломы, опилок, коры, некондиционной древесины, зерновых отходов и т.д., практически не перерабатывающихся в настоящее время. Накопление целлюлозосодержащих отходов вызвано сложностью и высокой себестоимостью переработки целлюлозы. Сложность переработки целлюлозы обусловлена длительностью деструкции молекул целлюлозы.

Известно, что солома, опилки, состоящие примерно из 70% целлюлозы и 10-20% лигнина, должны быть предварительно разрушены целлюлозолитическими микроорганизмами до простых сахаров. Полученные простые сахара могут быть использованы впоследствии в качестве источника энергии, например, для азотфиксирующих микроорганизмов, присутствующих в почве и способных связывать атмосферный азот в доступные для растений формы.

Процесс расщепления целлюлозы в природе за счет почвенных микроорганизмов очень длителен и протекает в течение нескольких месяцев даже при благоприятных внешних условиях. В частности, (см. Antunes L.A. Agr. Siol. Technol. 1986. V. 29, N. 3, pp. 533-543), известно, что в естественных условиях на целлюлозосодержащих материалах природная ассоциация целлюлозолитических микроорганизмов образуется только через 120 дней.

Известен способ ферментативной переработки с использованием культуры микромицета Paecilomyces variotii целлюлозосодержащих материалов (RU, патент 2094414 C 05 F 11/08, 1997) с целью получения органических удобрений. Процесс длится до 25 суток.

Известен способ ферментативной переработки целлюлозосодержащих материалов с использованием культуры гриба Rleurotus ostreatus (RU, патент 2080078 A 23 K 1/00, 1997) на корм для животных. Процесс длится до 10 суток.

Известен способ получения биологически активного корма из целлюлозосодержащих материалов (RU, патент 2097979 A 23 K 1/00) с использованием культуры гриба Agricus lisporus. Процесс длится до 7 суток.

Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в обеспечении возможности ускоренной микробиологической переработки целлюлозосодержащих материалов.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в сокращении времени разложения целлюлозосодержащих материалов при одновременном сокращении количества исходных лигнина и полисахаридов в продуктах переработки.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать обработку целлюлозосодержащих отходов ассоциацией микроорганизмов, содержащей культуру микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus) и культуру микроорганизма Allescherie terrestris, взятых в соотношении от 1:10 до 10:1. Преимущественно используют штамм микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus), коллекционный номер ГСБ ТБ14Г из Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ, и штамм микроорганизма Allescherie terrestris, коллекционный номер ГСБ ТБ13Г из Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых культур. Однако могут быть использованы и другие штаммы указанных культур. Предпочтительно, предварительно целлюлозосодержащий материал увлажняют до содержания влаги 60-80%. Преимущественно, содержание сухих клеток используемого консорциума составляет от 1 до 6% от содержания лигнина в исходном целлюлозосодержащем сырье. Обычно процесс обработки целлюлозосодержащего материала проводят в течение 1-5 суток. Преимущественно, обработке подвергают исходный материал с содержанием целлюлозы и гемицеллюлозы от 70 до 88% от абсолютно сухого вещества и содержании лигнина от 5 до 25% от абсолютно сухого вещества. Желательно использовать измельченный целлюлозосодержащий материал.

Преимущественно используемые штаммы микроорганизмов, указанные выше, имеют следующие признаки:

1. Штамм микроорганизма Syncephalastrum racemosum (Mucoralus), коллекционный номер ГСБ ТБ14Г из Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ, выделен из почвы путем накопительных культур с последующей селекцией.

Штамм имеет следующие морфологические особенности: низкий мицеральный гриб, гифы несептированы, аэроб, на твердых почвах образует белый субстратный и короткий воздушный мицелий, размножается путем апикального роста и спорами, в качестве источника углерода использует сахара, пектин, крахмал, целлюлозу, органические кислоты. Штамм способен продуцировать белок одноклеточных, а также целлюлолитические ферменты. Скорость роста штамма составляет примерно 0,1 ч^-1.

2. Штамм микроорганизма Allescherie terrestris, коллекционный номер ГСБ ТБ13Г в Коллекции культур микроорганизмов Государственного научно-исследовательского института биосинтеза белковых культур, выделен из соломы злаковых культур путем селекции.

Штамм имеет следующие морфологические особенности: мицеральный гриб, от мицелия отходят ветвистые концы, на которых развиваются пучки конидиальных цепочек, конидии угловатые, при распадании цепочек они иногда остаются соединенными углом, мицелий бесцветный, стелющийся, пронизывающий субстрат, в качестве источника углерода штамм использует глюкозу, галактозу, сахарозу, раффинозу, мальтозу, целлюлозу и лигнин. Штамм размножается спорами. Штамм способен синтезировать белок одноклеточных и целлюлолитические ферменты. Скорость роста штамма составляет в среднем 0,1 ч^-1.

Изобретение может быть иллюстрировано следующими примерами реализации.

1. Для полготовки посевного материала целлюлозосодержащий субстрат (опилки) в количестве примерно 400 г помещают в емкость объемом 1000 мл. Добавляют примерно 240 мл воды, закрывают ватным тампоном и стерилизуют полученный субстрат при 1,5 атм в течение примерно 30 мин. В стерилизованную и охлажденную среду засевают суспензию указанных штаммов микроорганизмов, предварительно выращенных на сусловом агаре при температуре примерно 28^oC. Плотность засева составляет 0,01 грамма сухих клеток микроорганизмов на грамм субстрата. Засеянную суспензию выращивают в термостате в течение 10-15 дней при температуре примерно 28^oC. Полученный подобным образом засевной материал используют при засеве целлюлозосодержащей среды в ферментере.

2. В камеру объемом 3000 мл засыпали предварительно измельченную древесную кору и торф, взятые в соотношении 3:7. Смесь увлажнили водой до содержания влаги 70% и внесли посевной материал, в котором соотношение штаммов микроорганизмов составляет 1: 9, полученный ранее, в количестве 3% от содержания лигнина в смеси. Выращивание культур проводили в течение трех суток при поддерживании постоянной влажности. В деструктированном целлюлозосодержащем материале содержание полисахаридов составляло 40% от сухого вещества, а лигнина - 8%. В исходном субстрате содержание полисахаридов составляло 85%, при содержании лигнина - 12%. В процессе ферментации разрушилось 53% полисахаридов и 34% лигнина.

3. В камеру объемом 3 дм³ поместили предварительно измельченную солому и торф в соотношении 1: 1. Смесь увлажнили до содержания влаги 75%. Засеяли засевной материал, полученный по примеру 1, но при соотношении штаммов указанных микроорганизмов, как 9:1. Общее количество засевного материала составило 4% от содержания лигнина. Ферментацию проводили в течение двух суток при поддержании постоянной влажности. При этом в деструктированном сырье содержание целлюлозы и гемицеллюлозы составило 53% от сухого веса, а содержание лигнина - 3%. Поскольку в исходной смеси (солома и торф) содержалось полисахаридов 80%, а лигнина - 8%, в результате обработки разрушилось 32% полисахридов и 53% лигнина.

4. В камеру объемом 3 дм³ поместили измельченную солому и увлажнили ее водой до содержания влаги 65%. Добавили посевной материал, полученный аналогично примера 1 при соотношении штаммов микроорганизмов как 1:1. Общее количество засевного материала составило примерно 6% от содержания лигнина в сырье. Ферментацию проводили в течение четырех суток при поддержании постоянной влажности. После обработки содержание полисахаридов составило 35%, а лигнина - 5%. Поскольку в исходном сырье содержалось полисахаридов 75%, а лигнина 15%, то в результате обработки разрушилось 54% полисахаридов и 70% лигнина.

5. В камеру объемом 3 дм³ поместили предварительно измельченные опилки деревьев хвойных пород, увлажнив их водой до содержания влаги 70%. Добавили посевной материал, полученный аналогично примеру 1, при соотношении штаммов микроорганизмов 2:1. Общее количество посевного материала составило примерно 5% от содержания лигнина в исходном сырье. Ферментацию проводили в течение 2-х суток при поддержании постоянной влажности. После обработки содержание полисахаридов составило 46%, а лигнина - 14%. В исходном сырье их содержалось соответственно 70 и 23%. В результате обработки разрушилось 36% полисахаридов и 27% лигнина.

6. В камеру объемом 3 дм³ поместили опилки лиственных пород древесины, увлажнив их водой до содержания влаги 65%. Добавили посевной материал, полученный аналогично примеру 1, при соотношении штаммов микроорганизмов как 1,5:1. Общее количество посевного материала составило 6% от содержания лигнина в исходном сырье. Ферментацию проводили в течение 3-х суток при поддержании указанной влажности. После микробиологической обработки содержание полисахаридов составило 37% при содержании лигнина 13%. В исходном материале их содержалось 72 и 21% соответственно. В результате обработки разрушилось 49% полисахаридов и 36% лигнина.

Использование полученного полупродукта в дальнейшем возможно при получении целевых продуктов: корма сельскохозяйственных животных или органических и органоминеральных удобрений. При этом длительность предварительно обработанного по вышеприведенному способу целлюлозосодержащего материала уменьшается до 2-4 дней.