CC BY
5
УДК 663.53 DOI: 10.24412/2071-6176-2024-3-39-51
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ ОБРАБОТКА ЛЬНЯНОЙ КОСТРЫ В ПРОЦЕССЕ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА
А.В. Уткина, Е.В. Ожимкова
На сегодняшний день все большую актуальность приобретают вопросы разработки экономически целесообразных и экологически рациональных способов получения возобновляемых энергетических носителей. Перспективным направлением в этой области является получение биоэтанола из лигноцеллюлозных отходов. В качестве источника моносахаридов для сбраживания дрожжевой культурой в работе рассмотрена льняная костра (крупнотоннажный агропромышленный отход переработки льноволокна): подобран метод предварительной обработки сырья, предложен состав мультиэнзимной композиции (МЭК) на основе коммерческих препаратов, оптимизированы параметры процесса ферментативного гидролиза (температура, кислотность среды, продолжительность стадии).
Ключевые слова: биоэтанол, лигноцеллюлоза, льняная костра, ферментативная обработка, оптимизация параметров, повышение эффективности.
Разработка технологически и экономически целесообразных методов получения возобновляемых энергетических носителей в условиях стремительного истощения традиционных топливных ресурсов ежегодно приобретает все большую актуальность. Технологии синтеза альтернативного «зеленого» топлива, биоэтанола, широко внедрены в производственную практику за рубежом: объем мирового производства спирта из углеводсодержащих материалов в 2018 году составил 110 миллиардов литров, а в 2022 году показатель вырос до 140 миллиардов литров в год. Анализ индустрии этанола с учетом современных тенденций ориентации на положения концепции устойчивого развития позволяет прогнозировать уверенное повышение совокупного среднегодового темпа роста объема рынка биоэтанола. Оптимистические данные обусловлены возможностью внедрения модернизационных решений, направленных на снижение производственных затрат, в классические технологические циклы по производству этилового спирта [1].
Промышленное получение этанола может быть осуществлено двумя путями: биотехнологическая трансформация углеводсодержащих материалов, в основе которой лежит способность отдельных видов микроорганизмов к спиртовому брожению, и каталитическая гидратация этилена (химический способ).
Рынок этилового спирта формируется в основном за счет функционирования предприятий, специализирующихся на традиционных технологиях сбраживания сахаросодержащего сырья, вследствие существенных недостатков прямого органического синтеза: этилен -дорогостоящий материал, характеризующийся низкой конверсией в
целевой продукт. Кроме того, в последние десятилетия государственная поддержка направлена на разработку и внедрение преимущественно биотехнологических проектов [2].
Наибольший объем выпускаемой продукции на протяжении длительного времени приходится на пять основных регионов: США, Бразилия, Европейский Союз, Китай и Канада. Следует отметить, что сырьевая база определяется климатическими условиями страны (США -кукуруза; Бразилия, Колумбия, Эквадор - сахарный тростник; страны ЕС -зерновые культуры: пшеница, рожь и т.д.), однако формируется преимущественно за счет сахаро- и крахмалосодержащих культур пищевого назначения, что в ряде работ ставит под сомнение экономическую целесообразность отрасли: прогнозируется развитие продовольственного кризиса и рост цен на сельскохозяйственную продукцию, впрочем с такой радикальной оценкой влияния этанола на мировую экономику согласны не все специалисты.
Экологический аспект проектирования современных предприятий замкнутого цикла, вопросы рациональной утилизации крупнотоннажных промышленных отходов с получением ценных продуктов с высокой добавленной стоимостью инициируют поиск альтернативных углеводсо-держащих материалов второго поколения, частным примером которых являются лигноцеллюлозные отходы, образующиеся в результате функционирования агропромышленных комплексов и предприятий по переработке растительных волокон [2].
Лигноцеллюлоза - природный стабилизированный биокомпозиционный материал, состоящий из трех основных полимеров, прочно связанных друг с другом: целлюлозы, гемициллюлозы и лигнина. Высокая механическая прочность и устойчивость структур лигнина к внешним воздействиям препятствуют активному использованию лигноцеллюлозных материалов в процессах ферментативного и микробного разложения, а высокая зольность сырья приводит к засорению факелов вытяжных труб при попытках прямого сжигания биомассы. Высокое содержание углеводов, доступных к спиртовому брожению, обилие ресурсов, повсеместная распространенность, возобновляемость сырья инициируют исследования в области разработки эффективных методов предварительной обработки лигноцеллюлозных материалов и оптимизации условий воздействия на них гидролитических агентов.
Традиционной сельскохозяйственной культурой Тверской области является лен-долгунец. В настоящее время регион является одним из ключевых центров по выращиванию льноволокна: сформирован полноценный льняной кластер (11 основных льносеющих предприятий, 5 заводов по первичной переработке льна и 2 предприятия по переработке льноволокна), позволяющий вносить существенный вклад в импортозаме-щение сырья для легкой промышленности.
Активное функционирование предприятий льноводческого сектора сопряжено с накоплением большого количества отходных материалов, которые не находят прямого практического применения и наносят урон экологии региона вследствие высокой устойчивости к естественным факторам среды.
Льняная костра представляет собой одревеснелые части, образующиеся в процессах мятья и трепания стеблей льна, размеры частиц находятся в диапазоне от 1 до 10 мм по длине, толщина материала колеблется от 0,3 до 1,5 мм. Объем отхода (костры), образующегося при переработке льняной тресты, по оценкам научно-исследовательских центров, специализирующихся на исследовании лубяных культур, составляет порядка 110 тысяч тонн ежегодно. Более 70 % от общего объема выпускаемой льняной продукции приходится на Центральный и Западно-Сибирский районы России.
Получение этанола из лигноцеллюлозных материалов включает несколько ключевых этапов, конфигурации которых варьируются в отдельных технологиях: предварительная обработка сырья с целью частичного разрушения поперечных связей между структурными полимерами и уменьшения степени кристалличности целлюлозы для облегчения проникновения гидролитических агентов; гидролиз целевых полисахаридов до простых сахаров, усваиваемых продуцентами этанола, посредством ферментативного или химического (кислотного) воздействия; сбраживание (ферментация) моносахаридов (преимущественно гексоз, но в отдельных случаях и пятиуглеродных сахаров) микроорганизмами, способными к спиртовому брожению; дистилляция и обезвоживание бродильного «бульона» [1].
Выбор обоснованного метода предварительной обработки лигно-целлюлозного материала и оптимизация параметров процесса гидролиза полимерных углеводов (целлюлозы и гемицеллюлозы) определяют экономическую целесообразность технологической линии по выпуску биоэтанола: стадии характеризуются наибольшими капитальными и эксплуатационными вложениями и в большей степени влияют на выход целевого продукта в расчете на одну тонну исходного сырья.
На сегодняшний день активно изучается потенциал использования четырех групп методов предварительного воздействия на лигноцеллюлоз-ную биомассу: физические (измельчение, ультразвуковая обработка, микроволновое облучение, обработка импульсным электрическим полем и т.д.), химические (кислотная или щелочная обработка, использование ионных жидкостей, органических солей, окислителей и т.п.), физико-химические (паровой взрыв, пиролиз) и биологические методы (использование микроорганизмов, которые при культивировании на лигноцеллю-лозе нарушают кристалличность целлюлозы и способствуют удалению лигнина из материала) предварительной обработки материала.
После обработки, способствующей увеличению пористости волокнистых матриц и высвобождению целлюлозы из комплекса лигнинов и гемицеллюлозы, в реакционную среду вносятся гидролитические агенты, которыми могут выступать либо растворы кислот (традиционный способ), либо специально подобранные мультиэнзимные композиции (МЭК) [3].
Использование агрессивных химических реагентов сопряжено с рядом существенных недостатков: риск коррозии оборудования, контактирующего с кислотами (подбор дорогостоящих материалов при аппаратурном оформлении технологической линии), неспецифический гидролиз, приводящий к деструкции целевых полисахаридов, накопление в среде соединений-ингибиторов (фурфурол и его производные), тормозящих развитие дрожжевой культуры и снижающих интенсивность спиртового брожения.
Использование ферментных препаратов позволяет вести процесс в мягких условиях, не характеризуется накоплением в гидролизате нежелательных побочных продуктов, однако представляется более дорогостоящим методом по сравнению с традиционными технологиями. Тем не менее рациональный подбор мультиферментной композиции для обработки лигноцеллюлозного материала, оптимизация параметров ее воздействия позволяет проектировать экономически целесообразные производственные линии, не характеризующиеся высокими затратами на утилизацию и обезвреживание отработанных ресурсов [3].
Материалы и методы исследования
В качестве сырья для трансформации в биоэтанол в работе использовали крупнотоннажный отход агропромышленного комплекса -льняную костру, предоставленную ФГБНУ «Федеральный научный центр лубяных культур».
Предварительная обработка льняной костры проводилась на ультразвуковом гомогенизаторе ВаМеНп SONOPULS НО 3100: насадка МБ 72, значение амплитуды - 25 %, продолжительность воздействия - 60 минут, температура обрабатываемой дисперсии - 50 °С.
Для определения влияния способа предварительной обработки материала на выход целевого продукта также был получен продукт азотнокислой обработки льняной костры по традиционной схеме, включающей удаление механических примесей путём тщательной промывки исходной костры дистиллированной водой и последовательную обработку сырья растворами азотной кислоты различной концентрации. На первой стадии сырье обрабатывается 1 %-ым раствором НЫОз и выдерживается в нем 120 мин, после чего жидкая фракция удаляется из системы путем фильтрования, а твердый остаток повторно подвергается воздействию кислоты с более высокой концентрацией (4 %) в течение 240 мин.
Анализ химического состава льняной костры предполагает определение в материале основных структурных компонентов -целлюлозы, пентозанов, лигнина, минеральных примесей.
Массовая доля целлюлозы в льняной костре определена азотно-спиртовом методом (метод Кюршиера). Используемые оборудование, материалы и реактивы: коническая колба объемом 250 мл, водяная баня, стеклянный пористый фильтр, сушильный шкаф, азотно-спиртовая смесь. По разности масс фильтра с целлюлозой и пустого фильтра определено содержание целлюлозы в исходной навеске льняной костры [4].
Количество полисахаридов, содержащих звенья пентоз, определено на спектрофотометре «ПЭ-5400УФ» («Экрос», Россия) с использованием раствора орсина по заранее построенным градуировочным зависимостям. Используемые оборудование материалы и реактивы: мерные колбы на 50 и 250 мл, установка для перегонки, раствор 3,5-дигидрокситолуола, спектрофотометр, термостат, хлорид натрия (NaCl), 13 %-ный раствор хлороводородной кислоты (HCl), анилинацетат, этиловый спирт 95 % [5].
Для определения содержания в льняной костре лигнина в работе использован традиционный способ, основанный на обработке материала концентрированной минеральной кислотой. Для этого использовали 72 % раствор серной кислоты (H2SO4), водяная баня, бумажные фильтры, воронка, сушильный шкаф. По разности масс фильтра с лигнином и пустого фильтра определено содержание лигнина в исходной воздушно-сухой навеске [4].
Важный показатель качества лигноцеллюлозных материалов, который определяет выход целевого продукта на 1 т используемого сырья - содержание минеральных примесей. Зольность навески льняной костры определена путем сжигания образцов в муфельной печи с электронагревом и терморегулятором [4].
Для составления мультиэнзимной композиции в данной работе были применены следующие ферментные препараты: «Целлюлаза», «Ксиланаза», «Пектиназа» (растворимый порошок, Россия).
Ферментативный гидролиз субстрата проводился в 0,1 М ацетатном буферном растворе (pH 5,0); начальная концентрация льняной костры -50,0 г/л по сухим веществам, температурный режим - (50±0,1) °С, скорость перемешивания - 150 об/мин.
Для анализа сахаров образцы гидролизатов центрифугировались на центрифуге ОПн-8 климатического исполнения УХЛ 4.2 в течение 10 мин при 7000 об/мин. Для обеспечения более высокой степени очистки анализируемых образцов от взвешенных частиц, механических примесей использовалась шприцевая фильтрующая насадка Millipore (Китай) с диаметром пор - 0,45 мкм; диаметр мембраны 25 мм; материал -политетрафторэтилен.
Качественный и количественный состав сахарного сиропа определялся методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на хроматографе UltiMate 3000 с рефрактометрическим детектором («Thermo Fisher Scientific (San Jose)», США). Содержание определенного редуцирующего вещества определялось по заранее построенным градировочным зависимостям для растворов моносахаридов известной концентрации (глюкоза, фруктоза, рамноза, мальтоза, ксилоза).
Перед проведением гидролитического расщепления полисахаридов сырья ферментными препаратами костра льна очищалась от посторонних технологических примесей механическим способом. На аналитических весах с точностью до 0,0001 г взвешивалась навеска льняной костры массой 1 г. Предварительно в конической колбе, предназначенной для проведения ферментативного гидролиза, в 0,1 М ацетатном буфере (20 мл) растворялись ферментные препараты в соотношениях, подобранных путем математического моделирования для трехкомпонентной системы. После полного растворения МЭК в буферном растворе в колбу вносилась навеска льняной костры. Для обеспечения оптимальных условий воздействия ферментных препаратов реакционная система помещалась в климатостат КС-200 СПУ (ОАО «Смоленское СКТБ СПУ», Россия), в котором поддерживалась температура 50±0,1 °С и обеспечивалось непрерывное перемешивание (150 об/мин). Продолжительность стадии отдельного ферментативного гидролиза перед внесением спиртовых дрожжей варьировалась и составляла 8, 15, 24, 39, 48, 72 часа соответственно.
Для получения достоверных результатов все опыты были произведены в трехкратной повторности. Статистическая обработка данных выполнена с использованием пакета прикладной программы MS Excel 2016.
Результаты и их обсуждение
Как видно из данных, представленных в таблице, льняная костра является классическим представителем лигноцеллюлозного сырья и представляет собой биокомпозиционный материал, состоящий из трех природных полимеров - целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина.
Льняная костра является перспективным сырьем для получения биоэтанола благодаря относительно низкому содержанию лигнина, что облегчает процесс подготовки субстрата и повышает эффективность ферментативного гидролиза.
Оптимизация состава мультиэнзимной композиции, с одной стороны, предполагает нахождение оптимального соотношения ферментных препаратов, а с другой - изучение кинетики ферментативного гидролиза при различных концентрациях МЭК и обеспечение повышения выхода редуцирующих веществ (в т. ч. и глюкозы).
Химический состав льняной костры и продуктов ее предварительной
обработки
Образец Массовая доля компонента в образце, %
Целлюлоза Пентозаны Лигнин Зола
Костра льна 42,9±0,1 34,1±0,1 19,1±0,1 3,8±0,05
Продукт ультразвуковой обработки 83,6±0,1 9,3±0,1 5,4±0,1 1,7±0,05
Продукт азотнокислой обработки 79,8±0,1 9,2±0,1 8,9±0,1 2,1±0,05
В качестве субстратов для гидролитического расщепления были рассмотрены: льняная костра (необработанная), продукт азотнокислой обработки льняной костры, продукт ультразвуковой обработки льняной костры. Экспериментально установлено, что максимальный конечный выход редуцирующих веществ (35,97 г/л) в гидролизате достигается при соотношении ксиланазы : пектиназы : целлюлазы У : У : У . Концентрации ферментных препаратов: «Ксиланаза» - 17,5; «Пектиназа» - 35; «Целлю-лаза» - 17,5 мг/г субстрата.
Кроме того, установлено, что предварительная обработка лигноцеллюлозного материала является необходимым этапом в цикле технологических операций, цель которых - производство этанола. Сравнивая два наиболее часто представленных в литературе метода, установлено, что ультразвуковая обработка - наиболее эффективная технология предварительной обработки материала (с точки зрения увеличения степени аморфности материала и повышения чувствительности полисахаридов к действую ферментных препаратов).
Микроскопирование лигноцеллюлозного материала, подвергшегося действию ультразвука / химических реагентов (разбавленная азотная кислота), показало, что в материале увеличивается количество аморфных областей, которые легче подвергаются гидролизу по сравнение с кристаллическими формами. Кроме того, увеличивается пористость волокнистых матриц, что способствует проникновению в структуру химических веществ и ферментов [6].
Следует отметить, что раствор азотной кислоты действует неселективно: деструкции подвергаются и целевые продукты процесса -целлюлоза и гемицеллюлоза. Это снижает выход биоэтанола на 1 т сырья и удорожает производство. Кроме того, как было отмечено ранее, серьезной проблемой является подбор дорогостоящего оборудования для организации процесса в промышленных масштабах, так как при контакте с кислотами традиционные дешевые материалы подвержены процессам коррозии. При использовании разбавленных кислот в реакционной среде
накапливаются фурфуроловые соединения, которые подавляют рост микроорганизмов на стадии ферментации [7].
После нахождения оптимального соотношения ферментов в составе МЭК с целью повышения эффективности ферментативного гидролиза проводилось исследование кинетики гидролитического расщепления льняной костры при различных концентрациях мультиэнзимной композиции с сохранением найденного оптимального соотношения ферментов. Наибольший выход редуцирующих веществ наблюдался при концентрации ферментной композиции 210 мг/г субстрата, что соответствует 3-х кратному увлечению концентраций ферментных препаратов по сравнению с исходными. Графическое представление данных показывает, что зависимость между содержанием редуцирующих веществ в гидролизате и концентрацией мультиэнзимной композиции (при одинаковой продолжительности процесса воздействия ферментными препаратами) носит возрастающий линейный характер в диапазоне концентраций МЭК от 70 до 210 мг/г субстрата (рис. 1).
концентрация МЭК, мг/г субстрата
Рис. 1. Зависимость накопления редуцирующих веществ в гидролизате
(субстрат - продукт ультразвуковой обработки льняной костры) в зависимости от концентрации МЭК (продолжительность - 24 часа)
Зависимости концентрации редуцирующих веществ и глюкозы от продолжительности ферментативного гидролиза при концентрации мульти-энзимной композиции 210 мг/г субстрата (продукт ультразвуковой обработки льняной костры) представлены на рис. 2.
Характер накопления в среде глюкозы отличается от зависимости, выявленной для общего числа редуцирующих моносахаридов: целевой субстрат, используемый дрожжевой культурой для превращения в биоэтанол, накапливается медленнее, но его доля не остается постоянной и по мере протекания ферментативного гидролиза возрастает. Наблюдаемая зависимость, вероятно, связана с особенностями механизма реакции
ферментативного расщепления целлюлозы до глюкозы: на первом этапе целлюлоза превращается в дисахарид - целлобиозу; на втором - дисахарид гидролизуется до моносахаридного звена - глюкозы. Последняя стадия характеризуется низкой скоростью и является лимитирующей для процесса.
Продолжительность ферментативного гидролиза.ч Продолжительность ферментативного гидролиза, ч
А Б
Рис. 2. Зависимость содержания редуцирующих веществ (А) и глюкозы (Б) в гидролизате от продолжительности ферментативного
гидролиза
Каждый из ферментов в составе мультиферментного комплекса характеризуется индивидуальным диапазоном оптимальных значений рН рабочего раствора: «Целлюлаза» от 3,5 до 4,5; «Ксиланаза» от 5,0 до 7,0; «Пектиназа» от 3,7 до 4,3. В подобранной мультиферментной системе каждый из ферментов действует синергетически, поэтому оптимальные значения внешних параметров (в т.ч. рН раствора) могут существенно отличаться от рекомендуемых данных, представленных в сопроводительной документации к препарату.
Влияние рН на активность ферментного комплекса исследовалось в диапазоне рН от 3,5 до 6,5. Ферментативный гидролиз проводился при температуре (50±0,1) °С при ранее подобранной оптимальной концентрации мультиферментной композиции, продолжительность процесса - 48 часов. Субстрат - продукт ультразвуковой обработки льняной костры. По окончании процесса методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в гидролизате определялось процентное содержание глюкозы. Влияние рН на процесс накопления глюкозы в гидролизате представлено на рис. 3 А.
А Б
Рис. 3. Влияние рН (А) и температуры (Б) на концентрацию глюкозы в гидролизате предварительно обработанной ультразвуком льняной
костры
Наибольшее накопление в гидролизате глюкозы наблюдается при pH 5,0. Сравнение полученных данных с техническими характеристиками индивидуальных ферментов показывают, что сильнокислая среда создает неблагоприятные условия для действия мультиферментного комплекса. Это обусловлено тем, что в диапазоне значений pH от 3,5 до 5,0 ксиланаза характеризуется незначительной активностью. При низких значениях pH среды ксилановые компоненты лигноцеллюлозного сырья не подвергаются заметной деструкции вследствие низкой активности ксиланазы. В составе лигноцеллюлозного комплекса ксиланы выполняют экранирующую функцию и снижают восприимчивость целлюлозного волокна к различным факторам (в т. ч. и к действию ферментных препаратов). В результате низкой активности ксиланазы доступ целлюлаз к поверхности целлюлозы становится ограниченным. Целлюлазы оказываются адсорбированными на поверхности лигноцеллюлозного комплекса, что приводит к низкому накоплению восстанавливающих моносахаридов в гидролизате и снижает общую эффективность процесса ферментативного гидролиза. Тем не менее смещение в слабокислую и нейтральную области значений pH (в которых ксиланазы проявляют наибольшую ферментативную активность и стабильность) не характеризуется повышением эффективности ферментативного гидролиза лигноцеллюлозного сырья. Вероятно, наблюдаемая зависимость связана с тем, что в рассматриваемом диапазоне pH для ключевых ферментов процесса гидролиза (целлюлаза и пектиназа) создаются неблагоприятные условия, способствующие снижению их активности и стабильности.
Таким образом, с учетом того что на лигноцеллюлозное сырье одновременно воздействуют три фермента, оптимальные условия
ферментативного гидролиза не могут быть подобраны только на основании технических характеристик отдельного фермента и должны подбираться индивидуально для каждого состава мультиферментной композиции. Для композиции рассматриваемого состава оптимальное значение рН среды составляет 5,0.
Влияние температуры на активность мультиферментного комплекса по отношению к предварительно обработанной ультразвуком льняной костре изучалось в диапазоне температур 30,0-60,0 °С. Условия проведения процесса: ацетатный буфер рН 5,0; концентрации мультиферментной композиции 210 мг/г субстрата; перемешивание - 150 об/мин; продолжительность - 48 часов. Изменение характера накопления в гидролизате глюкозы в зависимости от выбранного температурного режима представлено на рис. 3 Б.
Данные, полученные в результате экспериментов, направленных на обоснование оптимального температурного режима действия мультифер-ментной композиции, согласуются с техническими характеристиками для индивидуальных ферментных препаратов: при повышении температуры наблюдается увеличение общего содержания глюкозы в гидролизате, наибольшая концентрация глюкозы зафиксирована при температуре среды 50 °С (что отвечает температурному оптимуму трех ферментных препаратов в составе композиции). Дальнейшее повышение температуры от 50 до 60 °С, несмотря на ожидаемые увеличение скорости ферментативного гидролиза и сокращение времени достижения предельной концентрации восстанавливающих моносахаридов в гидролизате, привело к сокращению содержания глюкозы в анализируемых образцах. Данный температурный диапазон (50-60 °С) является неоптимальным для одного из ферментов в составе мультферментной композиции - пектиназы. Это доказывает важность учета ферментов пектолитического действия при составлении ферментных композиций для гидролиза лигноцеллюлозного сырья.
Важным фактором, определяющим эффективность процесса ферментативного гидролиза, является продолжительность стадии до внесения препарата дрожжевой культуры. Время индивидуального воздействия мультиэнзимной композиции определяется двумя основными факторами: степенью гидролиза предварительно обработанного материала и реологическими характеристиками (вязкостью) получаемого гидроли-зата. Количество редуцирующих моносахаридов в сахарном сиропе является показателем, определяющим возможность наиболее полного сбраживания исходных полисахаридов сырья в целевой продукт -биоэтанол. Реологические свойства реакционной среды оказывают влияние на процесс развития дрожжевой культуры (скорость адаптации и синтеза этанола, эффективность утилизации углеводов, физиологическое состояние дрожжей и др.). Из данных, представленных на рисунке 2, видно, что увеличение продолжительности стадии ферментативного гидролиза (более
48 ч) не приводит к существенно большему накоплению редуцирующих веществ в растворе: концентрация моносахаридов постепенно увеличивается до некоторого предельного значения, после чего выходит на плато и остается постоянной.
Заключение
В данной работе подобран оптимальный состав мультиэнзимной композиции на основе трех коммерческих ферментных препаратов («Целлюлаза», «Пектиназа», «Ксиланаза»), обеспечивающий эффективный гидролиз многотоннажного лигноцеллюлозного отхода переработки льняной костры. Установлено, что наибольшее накопление редуцирующих веществ в гидролизате достигается при соотношении «Ксиланаза» : «Пектиназа» : «Целлюлаза» У : У : У, а оптимальные концентрации ферментных препаратов составляют соответственно 52,5; 105; 52,5 мг/г субстрата.
В работе подобраны оптимальные условия для действия разработанной мультиэнзимной композиции: pH реакционной среды 5,0; температурный режим 50±0,1 °С; продолжительность стадии раздельного гидролиза до внесения дрожжевой культуры 24-48 ч.
Синтез биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья является перспективным способом получения возобновляемых энергетических носителей путем глубокой трансформации крупнотоннажных агропромышленных отходов. Вследствие высокой механической устойчивости лигноцеллюлоз-ной матрицы при разработке технологических схем по производству этилового спирта обязательным условием является рациональный подбор метода предварительной обработки материала. Традиционные химические способы подготовки льняной костры к внесению ферментных препаратов (обработка растворами минеральных кислот) характеризуются высокими эксплуатационными и капитальными затратами (подбор дорогостоящих материалов, утилизация отработанного сырья и др.), деструкцией целевых полисахаридов и накоплением в среде соединений-ингибиторов, снижающих эффективность и производительность последующих стадий. В качестве альтернативного метода предварительной обработки материала может быть рассмотрено воздействие ультразвуком, позволяющее увеличить содержание целлюлозы, доступной для действия гидролитических агентов, почти в 2 раза по сравнению с необработанной льняной кострой.
Список литературы
1. Современные методы получения биоэтанола / Вильданов Ф.Ш., Латыпова Ф.Н., Чанышев Р.Р. [и др.] // Башкирский химический журнал. 2011. № 2. С. 128-134.
2. Васильев И.Б., Мурашкина И.А. Получение и применение этилового спирта. Иркутск: РПФ Весь Иркутск, 2013. 32 с.
3. Миронова Г.Ф., Скиба Е.А., Кухленко А.А. Получение питательных сред из лигноцеллюлозы: оптимизация состава мультиэнзимной композиции // Катализ в промышленности. 2019. № 6 DOI: 10.18412/1816-0387-2019-6-482-490.
4. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М: Экология, 1991. 320 с.
5. ГОСТ 10820-75. Целлюлоза. Метод определения массовой доли пентозанов. Введ. 1991-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1991. 8 с.
6. Chemical imaging of lignocellulosic biomass by CARS microscopy / C. Pohling, C. Brackmann, A. Duarte [et al.] // Biophotonics. 2014. V. 7 (1-2). P. 126-134. DOI: 10.1002/jbio.201300052.
7. Allen S.A., Clark W., McCaffer J.M. Furfural induces reactive oxygen species accumulation and cellular damage in Saccharomyces cerevisiae // Biotechnol Biofuels, 2010. V. 2. DOI: 10.1186/1754-6834-3-2.
Уткина Алена Владимировна, магистрант, [email protected], Россия, Тверь, Тверской государственный технический университет,
Ожимкова Елена Владимировна, канд. хим. наук, доц., [email protected], Россия, Тверь, Тверской государственный технический университет
ENZYMATIC TREATMENT OF FLAXSEED BARK IN THE PROCESS OF BIOETHANOL
PRODUCTION
A.V. Utkina, E.V. Ozimkova
Today, the issues of development of economically feasible and environmentally
sound methods of renewable energy carriers production are becoming increasingly important. A promising direction in this area is the production of bioethanol from lignocellulosic wastes. As a source of monosaccharides for digestion by yeast culture in the work linseed bark is considered: the method of pre-treatment of raw materials is selected, the composition of multi-enzyme composition on the basis of commercial preparations is proposed, the parameters of the process of enzymatic hydrolysis (temperature, acidity of the medium, duration of the stage) are optimized.
Key words: bioethanol, lignocellulose, flaxseed bark, enzymatic treatment, optimization ofparameters.
Utkina Alena Vladimirovna, master's student, [email protected], Russia, Tver, Tver State Technical University,
Ozhimkova Elena Vladimirovna, candidate of chemical sciences, docent, [email protected], Russia, Tver State Technical University
