CC BY
117
УДК 577.15
А. А. Вазетдинова (магистрант), М. В. Харина (к.т.н., доц.), И. В. Логинова (к.х.н., доц.), Л. И. Клещевников (соиск.)
ФЕРМЕНТОЛИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗСОДЕРЖАЩИХ ОСТАТКОВ ПРОИЗВОДСТВА ФУРФУРОЛА ИЗ ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет», кафедра химической кибернетики 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, тел. (843)2314010, e-mail: m.kharina@yahoo.com
A. А. Vazetdinova, M. V. Kharina, I. V. Loginova, L. I. Klesсhevnikov
ENZYMATIC HYDROLYSIS OF CELLULOSIC RESIDUALS OF FURFURAL PRODUCTION FROM VEGETABLE
RAW MATERIALS
Kazan National Research Technological University 68, Karl Marx street, 420015, Kazan, Russia; ph. (843)2314010, e-mail: m.kharina@yahoo.com
Проведен ферментативный гидролиз лигноцел-люлозных фракций пшеничной соломы, кукурузной кочерыжки, свекловичного жома и опила березы, полученных после отгонки фурфурола в течение 130—180 мин при температурах 180 оС и 190 оС, гидромодуле 1:8. Показано, что ферментативный гидролиз отходов производства фурфурола с применением ферментного комплекса CellicCTec2 при температуре 45 оС, рН 5.0 позволяет дополнительно извлечь редуцирующие вещества (РВ) в количестве от 14 до 22 % от а. с. в. Выход редуцирующих веществ при ферментативном гидролизе зависит от содержания целлюлозы в исходном растительном сырье и условий предгидролиза. Оптимальное время ферментативного гидролиза всех видов растительного сырья лежит в диапазоне 25—30 ч.
Ключевые слова: березовый опил; кукурузная кочерыжка; пшеничная солома; редуцирующие вещества; свекловичный жом; ферментативный гидролиз; фурфурол
Отходы сельского хозяйства, деревообрабатывающей и пищевой промышленности служат доступным источником лигноцеллюлозы. В настоящее время актуальным направлением развития биотехнологии является применение растительной биомассы в качестве сырья для получения ценных продуктов, используемых в химическом и микробиологическом синтезе. Помимо биоэтанола, могут быть произведены и другие продукты с достаточно высокой добавленной стоимостью, например, кормовые
The enzymatic hydrolysis of lignocellulosic remains obtained after furfural production (at 180 0C and 190 0C during 130-180 min, 1:8 solid to liquid ratio) from wheat straw, corn cob, sugar beet pulp and birch sawdust was carried out. It was shown that enzymatic hydrolysis of remains of furfural production using CellicCTec2 at 45 0C, pH 5.0 allows to obtain additional reducing substances from 14 to 22 % of dry solids. Yield of reducing substances during enzymatic hydrolysis depends on cellulose content in raw material and conditions of treatment. Optimum time for enzymatic hydrolysis for all types of raw materials is in the range 25-30 hours.
Key words: beet pulp; birch sawdust; corn cob; enzymatic hydrolysis; furfural; reducing substances; wheat straw.
Дата поступления 25.01.17
витаминные и белковые добавки, фурфурол, целлюлоза, органические кислоты и др.
В промышленном органическом синтезе фурфурол — единственный мономер, получаемый из растительной биомассы и успешно конкурирующий с продуктами нефтехимии как основа для получения полимеров Технически фурфурол получают путем кислотного гидролиза пентозанов, содержащихся в растительной биомассе. Сырьем для производства фурфурола является ксилоза, которая в виде полисахарида — ксилана — присутствует в лиг-
ноцеллюлозной биомассе (до 25% сухой массы сырья). Перспективным источником ксилана является вторичное сырье — кукурузная кочерыжка, березовый опил, пшеничная солома и свекловичный жом .
Целлюлозосодержащий остаток, получаемый после конверсии пентозанов в фурфурол, представляет собой экологическую проблему, но, в то же время, он может служить перспективным субстратом для дальнейшего ферментативного гидролиза с получением простых сахаров. Таким образом, для экономичной биоконверсии растительного сырья важно, чтобы твердая фракция, оставшаяся после отделения фурфурола, была полностью утилизируема. При этом большое значение имеет обработка сырья ферментными препаратами. Начальным этапом ферментативного гидролиза является предварительная подготовка (предобработка) лигноцеллюлозы, которая заключается в разрушении структуры клеточной стенки для извлечения связующих гликанов и облегчении доступа целлюлолитических ферментов, а также для того, чтобы высвободить моносахариды, встроенные в гетероматрицы
« 3
клеточной стенки растения .
Целью данной работы являлось исследование целлюлозосодержащих фракций биомассы путем ферментативного гидролиза с целью определения возможности и обоснованности их дальнейшей переработки. Изучение этих вопросов позволит снизить нагрузку на окружающую среду и увеличить эффективность комплексной безотходной переработки целлю-лозосодержащего материала.
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования в работе использовались фракции пшеничной соломы, кукурузной кочерыжки, березового опила и свекловичного жома, полученные после гидролиза растительного сырья минеральными кислотами и отгонки фурфурола.
Подготовка нативного сырья проводилась с учетом его физических и структурных характеристик. Пшеничную солому (рис. 1а) и кукурузную кочерыжку размалывали на лабораторных мельницах, а затем фракционировали с помощью набора сит. Для экспериментов использовали фракцию с размером частиц 1—3 мм. Березовый опил, пшеничную солому и кукурузную кочерыжку предварительно высушивали при 102 °С в течение 2 ч для доведения до равновесной влажности. Свекловичный
жом измельчению и высушиванию не подвергался.
Фурфурольная варка растительного сырья проводилась в реакторе периодического действия ChemReSysR-201 Series (Республика Корея) с мешалкой рамного типа с различными катализаторами и при различных температурах (табл. 1). В качестве гидролизующих агентов использовались 1%-ные растворы серной (ГОСТ 4204-77) и ортофосфорной кислоты (ГОСТ 6552-80).Пшеничная солома также подвергалась бескислотному гидролизу — автогидролизу. Автогидролиз является наиболее мягким способом предварительной кислотной обработки растительного сырья, так как протекает при низкой концентрации образующихся в данном процессе органических кислот.
Гидромодуль при загрузке смеси в реактор для всех экспериментов составлял 1:8.
Таблица 1 Параметры варки фурфурола
Сырье Гидроли-зующий агент Время варки, мин Т, оС
Пшеничная солома 1% Н2Э04 1% Н3РО4 240 180 180 180 ; 190 180 180
Кукурузная кочерыжка 1% Н2Э04 180 180 ; 190
Опил березы 1% Н2Э04 130 180 ; 190
Свекловичный жом 1% Н2Э04 140 180
Твердую фракцию (рис. 16), оставшуюся после отгонки фурфурола, промывали дистиллированной водой для удаления избытка кислоты, создания оптимального для ферментов значения pH и повышения эффективности ферментативного гидролиза.
В качестве биокатализатора при ферментативном гидролизе использовали ферментный препарат «CellicCTec2» компании «Novozymes» 3, который соответствует рекомендованным нормативным техническим условиям по чистоте для пищевых ферментов, выданными Объединенным экспертным комитетом ФАО/ВОЗ. Основные показатели: компоненты — целлюлаза CAS 9012-54-8 и ксиланаза CAS 37278-89-0; плотность — 1.15 г/мл; оптимальная температура — 45—50 °С; оптимальный рН — 5.0—5.5; активность — 115.6 FPU/мл.
Ферментативный гидролиз твердых остатков проводили в колбах Эрленмейера на качалке Elpan-357 (Польша) с частотой вращения 150 об./мин. Концентрация ферментного комплекса составляла 0.05 г фермента на 1 г
абсолютно сухого вещества сырья. Процесс протекал в натрий-цитратном буфере при варьировании рН от 3.0 до 6.0, гидромодуля 1:30 и температуры 35.0—60.0±2 °С. Для предотвращения роста микроорганизмов в каждую колбу добавляли по 40 мкл 1% раствора тетрациклина в 70% этаноле. Интервал отбора проб для определения содержания глюкозы составлял от 4 до 12 ч, а продолжительность каждого процесса — 72 ч.
Содержание редуцирующих веществ (РВ)в ферментолизатах определяли методом Бертрана (Маккена-Шоорля) 4. Погрешность определения составила ± 0.53 % мас.
Результаты и их обсуждение
Извлечение сахаров в процессе ферменто-лиза зависит от параметров предварительной подготовки — температуры, кислотности среды, продолжительности фурфурольной варки. В работе исследовалось влияние параметров варки (табл. 1) на выход редуцирующих сахаров при
ферментативной обработке целлюлозосодержа-щих остатков производства фурфурола.
На рис. 2 представлена кинетика выхода РВв % от абсолютно сухого веса (а.с.в.) из фракций пшеничной соломы, полученных в разных условиях предобработки. Из полученных данных следует, что чем жестче условия предобработки, тем ниже выход редуцирующих сахаров при ферментолизе испытуемых фракций. Наибольший выход сахаров получен после бескислотной варки пшеничной соломы.
Аналогичные результаты получены при ферментативном гидролизе лигноцеллюлозых остатков кукурузной кочерыжки и березового опила (рис. 3 и 4). Вероятно это связано с тем, что при продолжительной кислотной варке происходит не только разрушение структуры клеточной стенки сырья с извлечением связующих гликанов, которое усиливается с повышением температуры. Также доступной для действия реагента становится та часть гемицеллю-лоз, которая прочно удерживается между цепями целлюлозы. Это может привести к
Рис. 1. Пшеничная солома до (а) и после отгонки фурфурола (б)
Рис. 2. Выход РВ при ферментолизе лигноцеллюлозы пшеничной соломы
снижению выхода Сахаров при последующем ферментативном гидролизе.
Практически во всех образцах максимальная концентрация редуцирующих веществ наблюдалась около 30 ч ферментативного гидролиза, затем содержание редуцирующих веществ в ферментолизатах снижалось, что может быть связано с термической деструкцией сахаров при дальнейшей обработке. Наибольший выход РВ получен при ферментолизе опила березы (21.8% а.с.в.), а наименьший — для свекловичного жома (14.3% а.с.в.). Существенная разница в значениях выхода РВ мо-
жет быть связана с различным содержанием целлюлозы в исходном растительном сырье. Содержание целлюлозы (в % а.с.в.) для березового опила составляет 47%, а свекловичного жома — 27% 2. Данный показатель для пшеничной соломы и кукурузной кочерыжки имеет промежуточное значение (соответственно 43.7% и 43.3%). Следует отметить сравнительно высокий выход РВ при ферментолизе остатков, полученных после предобработки пшеничной соломы автогидролизом (19.4% а.с.в) и 1% фосфорной кислотой при 180 оС (16.4% а.с.в.). Максимальный выход РВ при фермен-
20 40 60 80
Продолжительность фьрментшнза^ч
Рис. 3. Выход РВ при ферментолизе кукурузной кочерыжки
Рис. 4. Выход РВ при ферментолизе березового опила и свекловичного жома
шп сапома; автогндр сляг; 18 (Г С шп.солома НЗГО4; ISO мнн.; 1 ВО°С I
пш.солома H2S04; 240 мин.: 190ЭС
та.солома Н2304; 240 меш.;130°С ■
□пил оерезы H2S04; 130 мин.: 190=С опил березы Н2304; 130 :.шн.;1301,С жу1_и>ч-ерыжхаН2 S04; 140ынн.;190°С кук.коч ерыжка Н 2 304; 140яин.;18(ГС
свекл.жом H2S04; 140 мин.: 130гС ___
0 5 10 15 20 25
Выход РВ. % асв_
Рис. 5. Выход РВ при ферментативном гидролизе
тативном гидролизе фракций различных видов сырья представлен на рис. 5.
Таким образом, полученные результаты показывают, что ферментативный гидролиз целлюлозосодержащих отходов производства фурфурола позволяет извлечь редуцирующие вещества в количестве от 14 до 22% от а.с.в. Оптимальное время, необходимое для фермен-
Литература
1.
2.
3.
4.
толиза всех видов растительного сырья лежит в диапазоне 25—30 ч. Выход РВ зависит от вида гидролизующего агента, температуры и времени предварительной обработки, а также химического состава биомассы. При этом, чем жестче условия предгидролиза, тем меньше выход РВ.
Brazdausks P., Puke M., Vedernikovs N., Kruma 1. I. Influence of Biomass Pretreatment Process Time on Furfural Extraction from Birch Wood // Environmental and Climate Technologies.-2013.- №11.- Pp. 5-11.
Сушкова В.И., Воробьева Г. И. Безотходная 2. конверсия растительного сырья в биологически активные вещества.- М.: ДеЛи Принт, 2008.215 с.
Инструкция по использованию ферментных комплексов Novozymes CellicCTec2 и CellicHTec2 [Электронный ресурс]: Enzymes for 3. hydrolysis of lignocellulosic.- Режим доступа: http://bioenergy.novozymes.com/en/cellulosic-ethanol/CellicCTec3/Documents/AS_2010-01668-03.pdf].
Жданов Ю.А., Дорофеенко Г.Н. Практикум по химии углеводов.- М.: Высшая школа, 1973.- 4. 204 с.
References
Brazdausks P., Puke M., Vedernikovs N., Kruma I. [Influence of Biomass Pretreatment Process Time on Furfural Extraction from Birch Wood] Environmental and Climate Technologies, 2013, no.11, pp. 5-11.
Sushkova V.I., Vorobyeva G.I. Bezotkhodnaya konversiya rastitelnogo syrya v biologicheski aktivnye veschestva [Waste-free conversion of vegetable raw materials in biologically active substances]. Moscow, DeLi Print Publ., 2008, 215 p.
Instructions on the use of enzymes: Novozymes CellicCTec2 h CellicHTec2: Enzymes for hydrolysis of lignocellulosic. http:// bioenergy.novozymes.com/en/cellulosic-ethanol/CellicCTec3/Documents/AS_2010-01668-03.pdf]
Zhdanov Y.A., Dorofeenko G.N. Praktikum po khimii uglevodov [Laboratory Practicum on chemistry of carbohydrates]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1973, 204 p.
