ISSN 2227-2925 (print)
ISSN 2500-1558 (online)
12+
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ
Прикладная химия и биотехнология

Данный сайт является архивным. Актуальный сайт журнала находится по адресу vuzbiochemi.elpub.ru

БИОКОНВЕРСИЯ НЕПИЩЕВОГО ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ЧАСТЬ 2

Макарова Е.И. , Будаева В.В.

2016 / Номер 3 [ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ И ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ ]

Целью обзора является описание механизма ферментативного гидролиза целлюлозной и гемицеллюлозной составляющих сырья, обобщение опубликованных материалов и краткое изложение обоснования зависимости эффективности ферментативного гидролиза субстратов от ряда факторов с включением результатов собственных исследований. Представленные результаты получены авторами при исследовании исключительно непищевых недревесных целлюлозосодержащих видов сырья. Обзор сведений по биоконверсии сырья в доброкачественные глюкозные гидролизаты включает ряд обязательных положений для получения перспективных питательных сред для микробиологического синтеза. Поэтапно описан сложный механизм ферментативного гидролиза целлюлозной и гемицеллюлозной частей сырья. Рассмотрены факторы, оказывающие влияние на эффективность протекания ферментативного гидролиза: характеристики субстратов, условия проведения реакции (температура и кислотность среды), дозировка используемого целлюлазного комплекса и использование поверхностно активных веществ. В заключительной части представлена разработанная авторами технология биоконверсии перспективных видов (российского мискантуса и плодовых оболочек овса) в глюкозные гидролизаты. Технология включает в себя обработку сырья в одну стадию разбавленным раствором азотной кислоты или гидроксида натрия и ферментативный гидролиз полученного субстрата при оптимальных параметрах процесса с использованием высокоэффективной мультиэнзимной композиции. Показано, что полученные таким образом водные гидролизаты - растворы сахаров с преимущественным содержанием глюкозы - путем микробиологического синтеза могут быть преобразованы в этанол и бактериальную целлюлозу. Установлено, что, несмотря на многообразие научно обоснованных подходов к эффективной биоконверсии недревесного сырья, предложенная авторами технология обладает рядом преимуществ.

Ключевые слова:

целлюлозосодержащее сырье,ферментативный гидролиз,характеристики субстрата,параметры гидролиза,целлюлазный комплекс,cellulosic biomass,enzymatic hydrolysis,substrate characteristics,hydrolysis conditions,cellulase complex

Библиографический список:

  1. Никитин В.М., Оболенская А.В., Щеголев В.П. Химия древесины и целлюлозы. М.: Лесная промышленность, 1978. 370 с.
  2. Варфоломеев С.Д. Химическая энзимология. М.: Академия, 2005. 472 с.
  3. Kalia S., Kaith B.S., Kaur I. Cellulose fibers: bio- and nanopolymer composites. Berlin: Springer, 2011. 758 p.
  4. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика. Практический курс. М.: ФАИР-ПРЕСС, 1999. 720 с.
  5. Грачева И.М., Кривова А.Ю. Технология ферментных препаратов. М.: Элевар, 2000. 512 с.
  6. Jordan D.B., Bowman M.J., Braker J.D., Dien B.S., Hector R.E., Lee C.C., Mertens J.A., Wagschal K. Plant cell walls to ethanol // Biochemical Journal. 2012. N 442. P. 241-252. DOI:10.1042/BJ20111 922.
  7. Lynd L.R., Weimer P.J., Van Zyl W.H., Pretorius I.S. Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2002. Vol. 66, N 3. Р. 506-577. DOI: 0.1128/MMBR.66.3.506-577.2002.
  8. Клесов А.А., Рабинович М.Л. Ферментативный гидролиз целлюлозы // Биоорганическая химия. 1980.Т. 6, N 8. С. 1225-1242.
  9. Selig M.J., Knoshaug E.P., Adney W.S., Himmel M.E., Decker S.R. Synergistic enhancement of cellobiohydrolase performance on pretreated corn stover by addition of xylanase and esterase activities // Bioresource Technology. 2008. N 99. 4997-5005. DOI:10.1016/j.biortech.2007.09.064.
  10. Yu P., McKinnon J.J., Maenz D.D., Olkowski A.A., Racz V.J., Christensen D.A. Enzymic release of reducing sugars from oat hulls by cellulase, as influenced by Aspergillus ferulic acid esterase and Trichoderma xylanase // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2003. N 51. Р. 218-223. DOI: 10.1021/jf010984r.
  11. Sun Y., Chehg J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review // Bioresourse Technology. 2002. N 83. Р. 1-11. DOI: 10.1007/s00253-009-1883-1.
  12. Ioelovich M., Morag E. Study of enzymatic hydrolysis of pretreated biomass at increased solids loading // Bioresources. 2012. N 7. Р. 4672-4682. DOI: 10.15376/biores.7.4.4672-4682.
  13. Modenbach A.A., Nokes S.E. The use of high-solids loadings in biomass pretreatment - A review // Biotechnology and Bioengineering. 2012. N 109. Р. 1-13. DOI: 10.1002/bit.24464.
  14. Wingren A., Galbe M., Zacchi G. Techno-economic evaluation of producing ethanol from softwood: Comparison of SSF and SHF and identification of bottlenecks // Biotechnology Progress. 2003. N 19. Р. 1109-1117. DOI: 10.1021/bp0340180.
  15. Hodge D.B., Karim M.N., Schell D.J., McMillan J.D. Soluble and insoluble solids contributions to high-solids enzymatic hydrolysis of lignocellulose // Bioresource Technology. 2008. N 99. Р. 8940-8948. DOI: 10.1016/j.biortech.2008.05.015.
  16. Jorgensen H., Vibe-Pedersen J., Larsen J., Felby C. Liquefaction of lignocellulose at high-solids concentrations // Biotechnology and Bioengineering. 2007. V. 96, № 5. Р. 862-870. DOI: 10.1002/bit.21115.
  17. Hall M., Bansal P., Lee J., Realff M., Bommarius A. Cellulose crystallinity - A key predictor of the enzymatic hydrolysis rate // FEBS Journal. 2010. Vol. 277, N 6. Р. 1571-1582. DOI: 10.1111/j.1742-4658.2010.07585.x.
  18. Li L., Zhou W., Wu H., Yu Y., Liu F., Zhu D. Relationship between crystallinity index and enzymatic hydrolysis performance of celluloses separated from aquatic and terrestrial plant materials // BioResourses. 2014. Vol. 9, N 3. Р. 3993-4005. DOI: 10.15376/biores.9.3.3993-4005.
  19. Yoshida M., Liu Yu., Uchida S., Kawarada K., Ukagami Yu., Ichinose H., Kaneko S., Fukuda K. Effects of cellulose crystallinity, hemicellulose, and lignin on the enzymatic hydrolysis of Miscanthus sinensis to monosaccharides // Bioscience, Biotechnology and Biochemistry. 2008. Vol. 72, N 3. Р. 805-810. DOI: 10.1271/bbb.70689.
  20. Chen Y., Stipanovic A.J., Winter W.T., Wilson D.B., Kim Y.J. Effect of digestion by pure cellulases on crystallinity and average chain length for bacterial and microcrystalline celluloses // Cellulose. 2007. N 14. Р. 283-293. DOI: 0.1007/s10570-007-9115-2.
  21. Mansfield S.D., Mooney C., Saddler J.N. Substrates and enzyme characteristics that limit cellulose hydrolysis // Biotechnology Progress. 1999. N 15. Р. 804-816. DOI:10.1021/bp9900864.
  22. Hallac B.B., Ragauskas A.J. Analyzing cellulose degree of polymerization and its relevancy to cellulosic ethanol // Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2010. N 5. Р. 215-225. DOI: 10.1002/bbb.269.
  23. Ioelovich M., Morag E. Effect of cellulose structure on enzymatic hydrolysis // BioResources. 2011. Vol. 6, № 3. P. 2818-2834. DOI: 10.15376/bio-res.6.3.2818_2835.
  24. Hu F., Ragauskas A. Pretreatment and lignocellulosic chemistry // Bioenergy Research. 2012. N 5. Р. 1043-1066. DOI:10.1007/s12155-012-9208-0.
  25. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ: новый справочник химика и технолога. СПб.: НПО «Профессионал», 2006. 916 c.
  26. Зиновьева М.Е., Гамаюрова В.С., Бурмасова М.А. Интенсификация процесса гидролиза целлюлозы ферментным препаратом DENYCEL 100 CG при добавлении некоторых органических соединений // Вестник Казанского технологического университета. 2009. N 6. С. 130-135.
  27. Taherzadeh M., Karimi K. Enzyme-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: a review // Bioresources. 2007. Vol. 2, N 4. Р. 707-738.
  28. Budaeva V.V., Makarova E.I., Skiba E.A., Sakovich G.V. Enzymatic hydrolysis of the products of hydro-thermobaric processing of Miscanthus and oat hulls // Catalysis in Industry. 2013. Vol. 5, N 4. P. 335-341. DOI: 10.1134/S207005041304003X.
  29. Makarova E.I., Budaeva V.V., Skiba E.A., Sakovich G.V. Enzymatic hydrolysis of celluloses obtained via the hydrothermal processing of Miscanthus and oat hulls // Catalysis in Industry. 2014. Vol. 6, N 1. P. 67-71. DOI: 10.1134/S2070050414010061.
  30. Pavlov I.N., Denisova M.N., Makarova E.I., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Versatile thermobaric plant and producion of hydrotropic cellulose therein // Cellulose Chemistry and Technology. 2015. Vol. 49, N (9-10). Р. 847-852.
  31. Budaeva V.V., Skiba E.A., Baibakova O.V., Makarova E.I., Orlov S.E., Kukhlenko A.A., Udoratina E.V., Shcherbakova T.P., Kuchin A.V., Sakovich G.V. Kinetics of the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials at different concentrations of the substrate // Catalysis in industry. 2016. Vol. 8, N 1. Р. 81-87. DOI: 10.1134/S2070050416010025.
  32. Baibakova O.V., Skiba E.A. Biotechnological aspects of ethanol biosynthesis from Miscanthus // Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2015. Vol. 5, N 1. Р. 69-74. DOI: 10.1134/S2079059 715010025.
  33. Skiba Е.A., Budaeva V.V., Pavlov I.N., Makarova Е.I., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. Producing of enzymaqtic hydrolysates from Miscanthus pulps and their alcoholic fermentation // Biotechnology in Russia. 2012. N 6. Р. 42-52.
  34. Budaeva V.V., Makarova E.I., Gismatulina Yu.A. Integrated flowsheet for conversion of non-woody biomass into polyfunctional materials // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 670. Р. 202-206. DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM.670.202.
  35. Гладышева Е.К., Скиба Е.А. Биосинтез бактериальной целлюлозы культурой Мedusomyces gisevii // Вестник ВГУИТ. 2015. N 3. С. 149-156.
  36. Nikitin V.M., Obolenskaya A.V., Shchegolev V.P. Khimiya drevesiny i tsellyulozy [Wood and cellulose chemistry]. Moscow, Lesnaya promyshlennost' Publ., 1978, 370 p.
  37. Varfolomeev S.D. Khimicheskaya enzimologiya [Chemical enzymology]. Moscow, Akademiya Publ., 2005, 472 p.
  38. Kalia S., Kaith B.S., Kaur I. Cellulose fibers: bio- and nanopolymer composites. Berlin, Springer Publ., 2011, 758 p.
  39. Varfolomeev S.D., Gurevich K.G. Biokinetika: Prakticheskii kurs [Biokinetics: Practical course]. Moscow, FAIR-PRESS Publ., 1999, 720 p.
  40. Gracheva I.M., Krivova A.Yu. Tekhnologiya fermentnykh preparatov [Technology of enzyme preparations]. Moscow, Elevar Publ., 2000, 512 p.
  41. Jordan D.B., Bowman M.J., Braker J.D., Dien B.S., Hector R.E., Lee C.C., Mertens J.A., Wagschal K. Plant cell walls to ethanol. Biochemical Journal. 2012, no. 442, pp. 241-252. DOI:10. 1042/BJ20111922.
  42. Lynd L.R., Weimer P.J., Van Zyl W.H., Pretorius I.S. Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2002, vol. 66, no. 3, pp. 506-577. DOI: 0.1128/MMBR.66.3.506-577. 2002.
  43. Klesov A.A., Rabinovich M.L. Enzymatic hydrolysis of cellulose. Bioorganicheskaya khimiya [Bioorganic chemistry]. 1980, vol. 6, no. 8, pp. 1225-1242. (in Russian)
  44. Selig M.J., Knoshaug E.P., Adney W.S., Himmel M.E., Decker S.R. Synergistic enhancement of cellobiohydrolase performance on pretreated corn stover by addition of xylanase and esterase activities. Bioresource Technology. 2008, no. 99, pp. 4997-5005. DOI:10.1016/ j.biortech.2007.09.064.
  45. Yu P., McKinnon J.J., Maenz D.D., Olkowski A.A., Racz V.J., Christensen D.A. Enzymic release of reducing sugars from oat hulls by cellulase, as influenced by Aspergillus ferulic acid esterase and Trichoderma xylanas. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2003, no. 51, pp. 218-223. DOI: 10.1021/jf010984r.
  46. Sun Y., Chehg J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresourse Technology. 2002, no. 83, pp. 1-11. DOI: 10.1007/s00253-009-1883-1.
  47. Ioelovich M., Morag E. Study of enzymatic hydrolysis of pretreated biomass at increased solids loading. Bioresources. 2012, no. 7, pp. 4672-4682. DOI: 10.15376/biores.7.4.4672-4682.
  48. Modenbach A.A., Nokes S.E. The use of high-solids loadings in biomass pretreatment - A review. Biotechnology and Bioengineering. 2012, no. 109, pp. 1-13. DOI: 10.1002/bit.24464.
  49. Wingren A., Galbe M., Zacchi G. Techno-economic evaluation of producing ethanol from softwood: Comparison of SSF and SHF and identification of bottlenecks. Biotechnology Progress. 2003, no. 19, pp. 1109-1117. DOI: 10.1021/ bp03 40180.
  50. Hodge D.B., Karim M.N., Schell D.J., McMillan J.D. Soluble and insoluble solids contributions to high-solids enzymatic hydrolysis of lignocellulose. Bioresource Technology. 2008, no. 99, pp. 8940-8948. DOI: 10.1016/j.biortech.2008. 05.015.
  51. Jorgensen H., Vibe-Pedersen J., Larsen J., Felby C. Liquefaction of lignocellulose at high-solids concentrations. Biotechnology and Bioengineering. 2007, vol. 96, no. 5, pp. 862-870. DOI: 10.1002/bit.21115.
  52. Hall M., Bansal P., Lee J., Realff M., Bommarius A. Cellulose crystallinity - A key predictor of the enzymatic hydrolysis rate. FEBS Journal. 2010, vol. 277, no. 6, pp. 1571-1582. DOI: 10.1111/j.1742-4658.2010.07585.x.
  53. Li L., Zhou W., Wu H., Yu Y., Liu F., Zhu D. Relationship between crystallinity index and enzymatic hydrolysis performance of celluloses separated from aquatic and terrestrial plant materials. BioResourses. 2014, vol. 9, no. 3, pp. 3993-4005. DOI: 10.15376/biores.9.3.3993-4005.
  54. Yoshida M., Liu Yu., Uchida S., Kawarada K., Ukagami Yu., Ichinose H., Kaneko S., Fukuda K. Effects of cellulose crystallinity, hemicellulose, and lignin on the enzymatic hydrolysis of Miscanthus sinensis to monosaccharides. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. 2008, vol. 72, no. 3, pp. 805-810. DOI: 10.1271/bbb.70689.
  55. Chen Y., Stipanovic A.J., Winter W.T., Wilson D.B., Kim Y.J. Effect of digestion by pure cellulases on crystallinity and average chain length for bacterial and microcrystalline celluloses. Cellulose. 2007, no. 14, pp. 283-293. DOI: 0.1007/s10570-007-9115-2.
  56. Mansfield S.D., Mooney C., Saddler J.N. Substrates and enzyme characteristics that limit cellulose hydrolysis. Biotechnology Progress. 1999, no. 15, pp. 804-816. DOI:10.1021/ bp9900 864.
  57. Hallac B.B., Ragauskas A.J. Analyzing cellulose degree of polymerization and its relevancy to cellulosic ethano. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2010, no. 5, pp. 215-225. DOI: 10.1002/bbb.269.
  58. Ioelovich M., Morag E. Effect of cellulose structure on enzymatic hydrolysis. BioResources. 2011, vol. 6, no. 3, pp. 2818-2834. DOI: 10.15376/biores.6.3.2818_2835.
  59. Hu F., Ragauskas A. Pretreatment and lignocellulosic chemistry. Bioenergy Research. 2012, no. 5, pp. 1043-1066. DOI:10.1007/ s1215 5-012-9208-0.
  60. Novyi spravochnik khimika i tekhnologa. Syr'e i produkty promyshlennosti organicheskikh i neorganicheskikh veshchestv [New handbook of Chemist and Engineer. Raw Materials and products of organic and inorganic industry]. St. Petersburg, NPO Professional Publ., 2006, 916 p.
  61. Zinov'eva M.E., Gamayurova V.S., Burmasova M.A. Intensification of cellulose hydrolysis with enzyme preparation DENYCEL 100 CG upon addition of some organic chemicals. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technologic University]. 2009, no. 6, pp. 130-135. (in Russian)
  62. Taherzadeh M., Karimi K. Enzyme-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: a review. Bioresources. 2007, vol. 2, no. 4, pp. 707-738.
  63. Budaeva V.V., Makarova E.I., Skiba E.A., Sakovich G.V. Enzymatic hydrolysis of the products of hydro-thermobaric processing of Miscanthus and oat hulls. Catalysis in Industry. 2013, vol. 5, no. 4, pp. 335-341. DOI: 10.1134/S20700504 1304003X.
  64. Makarova E.I., Budaeva V.V., Skiba E.A., Sakovich G.V. Enzymatic hydrolysis of celluloses obtained via the hydrothermal processing of Miscanthus and oat hulls. Catalysis in Industry. 2014, vol. 6, no. 1, pp. 67-71. DOI: 10.1134/S2070050 414010061.
  65. Pavlov I.N., Denisova M.N., Makarova E.I., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Versatile thermobaric plant and producion of hydrotropic cellulose therein. Cellulose Chemistry and Technology. 2015, vol. 49, no. (9-10), pp. 847-852.
  66. Budaeva V.V., Skiba E.A., Baibakova O.V., Makarova E.I., Orlov S.E., Kukhlenko A.A., Udoratina E.V., Shcherbakova T.P., Kuchin A.V., Sakovich G.V. Kinetics of the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials at different concentrations of the substrate. Catalysis in Industry. 2016, vol. 8, no. 1, pp. 81-87. DOI: 10.1134/S20 70050416010025.
  67. Baibakova O.V., Skiba E.A. Biotechnological aspects of ethanol biosynthesis from Miscanthus. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2015, vol. 5, no. 1, pp. 69-74. DOI: 10.1134/S2079059715010025.
  68. Skiba Е.A., Budaeva V.V., Pavlov I.N., Makarova Е.I., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. Producing of enzymaqtic hydrolysates from Miscanthus pulps and their alcoholic fermentation. Biotechnology in Russia. 2012, no. 6, pp. 42-52.
  69. Budaeva V.V., Makarova E.I., Gismatulina Yu.A. Integrated flowsheet for conversion of non-woody biomass into polyfunctional materials. Key Engineering Materials. 2016, vol. 670, pp. 202-206. DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM. 670.202.
  70. Gladysheva E.K., Skiba E.A. Biosynthesis of bacterial cellulose by Мedusomyces gisevii culture. Vestnik VGUIT [Bulletin of Voronezh State University of Engineering Technologies]. 2015, no. 3, pp. 149-156. (in Russian)

Файлы:

Язык
RuEn
Отправить статью
Для отправки статьи перейдите на актуальный сайт журнала.
Количество скачиваний:3952