CC BY
51УДК 579.64; 631.147:631.46 http://doi.org/10.5281/zenodo.2254760
AGRIS P01
ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБОВ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА
©Лакина Н. В., канд. хим. наук, Тверской государственный технический университет,
г. Тверь, Россия, lakina@yandex.ru ©Долуда В. Ю., канд. хим. наук, Тверской государственный технический университет,
г. Тверь, Россия, doluda@yandex.ru ©Рабинович Г. Ю., д-р биол. наук, Всероссийский НИИ мелиорированных земель,
п. Эммаусс, Россия, vniimz@list.ru ©Долуда Е. О., Тверской государственный технический университет,
г. Тверь, Россия, evgenydoluda@yandex.ru ©Лакина М. Е., Тверской государственный технический университет, г. Тверь, Россия, lakinamargarita@yandex.ru
METHODS OF BIOMASS PROCESSING WITH THE AIM OF OBTAINING BIOETHANOL
©Lakina N., Ph.D., Tver State Technical University, Tver, Russia, lakina@yandex.ru ©Doluda V., Ph.D., Tver State Technical University, Tver, Russia, doluda@yandex.ru ©Rabinovich G., Dr. habil., All-Russian research Institute of reclaimed lands,
Emmaus, Russia, vniimz@list.ru ©Doluda E., Tver State Technical University, Tver, Russia, evgenydoluda@yandex.ru
©Lakina M., Tver State Technical University, Tver, Russia, lakinamargarita@yandex.ru
Аннотация. Исследовательская работа посвящена изучению способов биотрансформации целлюлозосодержащего сырья с целью получения биоэтанола. Представлены данные по экологически чистым технологиям обработки биомассы. Непосредственно, в экспериментальной части работы представлены результаты ферментативного получения моносахаридов, где субстратом являлся торф верхового типа, со степенью разложения 15%. Показано, что целлюлозосодержащее сырье эффективнее предобрабатывать 7% H2SO4 120 °C, в течение 21 часа. В качестве мультиферментного препарата использовался «Агроцелл Р1000». Были получены следующие ценные моносахариды: D-глюкоза (3,97%), D-галактоза (0,26%), D-рамноза (0,51%) и D-ксилоза (1,34%). Указанные продукты ферментативного гидролиза торфа с успехом можно применять для получения биоэтанола, используя процесс сбраживания термофильно устойчивыми микроорганизмами.
Abstract. Research work is devoted to the study of methods of biotransformation of cellulose-containing raw materials in order to obtain bioethanol. Data on environmentally friendly technologies of processing of biomass are presented. Directly, the experimental part of the work presents the results of enzymatic production of monosaccharides, where the substrate was peat of the upper type, with a degree of decomposition of 15%. It is shown that cellulose-containing raw materials are more effective to pretreat 7% H2SO4 120°C for 21 hours. As multienzyme drug was used Agrotsell R1000. The following valuable monosaccharides were obtained: D-glucose (3.97%), D-galactose (0.26%), D-rhamnose (0.51%) and D-xylose (1.34%). These products of enzymatic
hydrolysis of peat can be successfully used to produce bioethanol, using the process of fermentation thermophilic resistant microorganisms.
Ключевые слова: биоэтанол, биомасса, ферментативный гидролиз, моносахариды, целлюлоза.
Keywords: bioethanol, biomass, enzymatic hydrolysis, monosaccharides, cellulose.
Введение
Одним из потенциальных источников сырья и энергии является растительная биомасса. При этом важное значение имеет то обстоятельство, что биомасса, в отличие от ископаемых энергоресурсов, представляет собой возобновляющийся источник и ресурсы биомассы в различных видах имеются практически в большинстве регионов мира [1].
В связи с перспективой развития рынка биотоплива как в России, так и за рубежом целью данной работы явилось исследование способов переработки растительной биомассы (как возобновляемого источника энергии) для получения биоэтанола. Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25% лигнина и 75% углеводов или сахаридов. Углеводородная фракция состоит из множества молекул сахаридов, соединенных между собой в длинные полимерные цепи. К наиболее важным категориям углеводородов можно отнести целлюлозу [2].
Среди бактерий наиболее активно разлагают целлюлозу представители рода Clostridium. Особенно термофильные этанологенные анаэробные бактерии C. thermocellus, C. thermohidrosulfuricum. Последний представитель является экстремально термофильным; C. thermocellum — активный целлюлолитик. Наиболее активными продуцентами этилового спирта на целлюлозосодержащем субстрате являются анаэробные экстремально-термофильные спороносные виды Clostridium thermohydrosulfuricum, Clostridium thermosaccharolyticum, Clostridium thermocellum. Среди неспороносных экстремально-термофильных бактерий анаэробных бактерий наиболее активными считаются Thermanaerobacter ethanolicus и Thermanaerobium brockii. Поиск новых штаммов термофильных бактерий происходит непрерывно.
В Таблице 1 приведены сравнительные данные эффективности использования консорциумов микроорганизмов для производства этилового спирта [3-6].
Таблица 1.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНСОРЦИУМОВ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛОВОГО СПИРТА
Количество
Состав консорциума Субстрат Обработка сырья синтезированно го этанола
Candida wickerhamii + Saccharomyces cerevisiae Целлюлоза Гидролиз трифторуксусной 50 г/л
кислотой
Bacillus sp.+ Clostridium thermocellum Кристаллическая целлюлоза — 4,6-5,1 г/л
Trichoderma reesei + Saccharomyces cerevisiae Целлюлоза — 40 г/л
Clostridium thermocellum + Clostridium thermosulfuricum Бумага — 8 г/л
К недревесному биоразлагаемому сырью относят также торф. Россия располагает богатыми запасами торфа, который является ценным химическим сырьем. Для промышленной переработки в этиловый спирт и фурфурол представляет интерес малоразложившийся торф, со степенью разложения не более 15-20%. Из него можно получать кроме этилового спирта и фурфурола другие продукты: воск, органические кислоты (уксусную, щавелевую, молочную и др.), фенолы, дубильные концентраты, ацетон и др. [67].
В России широко используется коммерческий ферментный препарат «Агроцелл Р1000», продуцентом которого является штамм гриба Penicillium verruculosum [7-8]. Характеристики ферментного препарата приводятся в Таблице 2.
Таблица 2.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЕРМЕНТНОГО ПРЕПАРАТА «Агроцелл P1000»
Наименование показателей Препарат «Агроцелл P1000»
Целлюлазная активность, ед./г, не менее 4000
Р-глюканазная активность, ед./г 3200
Ксиланазная активность, ед./г 1000
Споры гриба продуцента и патогенных микроорганизмов не допускаются
В данной работе был исследован ферментативный способ переработки торфа, как целлюлозосодержащего биоматериала, с целью получения моносахаров, используемых для производства биоэтанола.
Экспериментальная часть Гидролиз проводился в реакторе Parr Instruments 4561 (США) течение 24 часов при Т=50 °С и pH=5 среды (Рисунок 1), используя ацетатный буфер, при постоянном перемешивании (200 об/мин). В процессе ферментативного гидролиза использовалась навеска торфа, предварительно обработанного (7,0% H2SO4 в течение 21 часа при 120°C); дозировка ферментного препарата «Агроцелл Р1000» 0,5 г на 5 г субстрата. В ячейку
3 „ и
емкостью 300 см помещали предобработанный торф, ацетатный буфер, в котором растворен ферментный препарат.
Рисунок 1. Реакторная система для гидролиза торфа.
В ходе анализа была использована хроматографическая система «Хроматэк-Кристалл ВЭЖХ 2014», снабженная рефрактометрическим детектором. В качестве калибровочных стандартов при определении концентрации сахаров в гидролитическом растворе использовали D-глюкозу кристаллическую гидратную, D-галактозу, D-мальтозу, D-рамнозу, D-ксилозу, D-фруктозу (См=0,01 моль/л).
Полученные результаты представлены на Рисунке 2.
4,5
4
3,5
t 3
I 2,5
1 2
г n 1,5
и
1
0,5
0
t
4Г-
- Л
* — Д.
—^
И V A
■глюкоза
10 15 20 25
Продолжительность гидролиза, ч ■^—галактоза —¿г—рамноза ) ( ксилоза
30
Рисунок 2. Изменение концентрации сахаров при ферментолизе торфа, предварительно обработанного 7% масс. серной кислотой при 120 °C.
Полученные результаты показывают, что наибольшая концентрация D-глюкозы составила 3,97%, D-галактозы — 0,26%, D-рамнозы — 0,51% и D-ксилозы — 1,34%. Высокий выход D-ксилозы при ферментативном гидролизе (1,34%) обусловлен наличием в ферментном комплексе ксиланазы. С увеличением продолжительности предобработки торфа с 21 до 29 ч наблюдалось снижение выхода D-ксилозы и D-рамнозы.
Полученный продукт реакции ферментативного гидролиза торфа верхового типа в дальнейшем, может быть использован в качестве субстрата для различных микроорганизмов — продуцентов биологически активных веществ, в том числе для микроорганизмов, осуществляющих сбраживание глюкозы в этанол.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-08-00158.
Список литературы:
1. Гречишников В., Швыдков В., Гейнель В., Плохов А. Приоритет ферментного производства возвращается в Россию // Комбикорма. 2014. №6. С. 69-71.
2. Cantarel B. L., Coutinho P. M., Rancurel C., Bernard Th., Lombard V., Henrissat B. The Carbohydrate-Active EnZymes database (CAZy): an expert resource for Glycogenomics // Nucleic Acids Research. 2009. V. 37. №1. P. D233-D238. DOI: 10.1093/nar/gkn663.
3. Berlin A., Balakshin M., Gilkes N., Kadla J. Inhibition of cellulase, xylanase and beta-glucosidase activities by softwood lignin preparations // Biotechnol. 2006. V. 125. P. 198-209.
4. Kristensen J. B., Borjesson J., Bruun M. H. Use of surface active additives in enzymatic hydrolysis of wheat straw lignocellulose // Enzyme Microb. Technol. 2007. V. 40. P. 888-895.
5. Berka R. M., Grigoriev I. V., Otillar R., Salamov A., Grimwood J., Reid I., Henrissat B. Comparative genomic analysis of the thermophilic biomass-degrading fungi Myceliophthora thermophila and Thielavia terrestris // Nature Biotechnology. 2011. V. 29. P. 922-927.
6. Sasson A. et al. Biotechnologies: challenges and promises. UNESCO, 1984.
7. Sizova M. V., Izquierdo J. A., Panikov N. S., & Lynd L. R. Cellulose-and xylan-degrading thermophilic anaerobic bacteria from biocompost // Applied and environmental microbiology. 2011. V. 77. №7. P. 2282-2291.
8. Lv W., Yu Z. Isolation and characterization of two thermophilic cellulolytic strains of Clostridium thermocellum from a compost sample // Journal of applied microbiology. 2013. V. 114. №4. P. 1001-1007.
References:
1. Grechishnikov, V., Shvydkov, V., Heinel, V., & Plokhov, A. (2014). Priority of the enzyme production returns to Russia. Compound, (6). 69-71.
2. Cantarel, B. L., Coutinho, P. M., Rancurel, C., Bernard, Th., Lombard, V., & Henrissat, B. (2009). The Carbohydrate-Active EnZymes database (CAZy): an expert resource for Glycogenomics. Nucleic Acids Research, 37(1). D233-D238, https://doi.org/10.1093/nar/gkn663
3. Berlin, A., Balakshin, M., Gilkes, N., & Kadla, J. (2006). Inhibition of cellulase, xylanase and beta-glucosidase activities by softwood lignin preparations. Biotechnol, 125. 198-209.
4. Kristensen, J. B., Borjesson, J., Bruun, M. H., Tjerneld, F., & J0rgensen, H. (2007). Use of surface active additives in enzymatic hydrolysis of wheat straw lignocellulose. Enzyme and Microbial Technology, 40(4), 888-895.
5. Berka, R. M., Grigoriev, I. V., Otillar, R., Salamov, A., Grimwood, J., Reid, I., ... & Henrissat, B. (2011). Comparative genomic analysis of the thermophilic biomass-degrading fungi Myceliophthora thermophila and Thielavia terrestris. Nature biotechnology, 29(10), 922.
6. Sasson, A. (1984). Biotechnologies: challenges and promises. UNESCO.
7. Sizova, M. V., Izquierdo, J. A., Panikov, N. S., & Lynd, L. R. (2011). Cellulose-and xylan-degrading thermophilic anaerobic bacteria from biocompost. Applied and environmental microbiology, 77(7), 2282-2291.
8. Lv, W., & Yu, Z. (2013). Isolation and characterization of two thermophilic cellulolytic strains of Clostridium thermocellum from a compost sample. Journal of applied microbiology, 114(4), 1001-1007.
Работа поступила Принята к публикации
в редакцию 25.11.2018 г. 28.11.2018 г.
Ссылка для цитирования:
Лакина Н. В., Долуда В. Ю., Рабинович Г. Ю., Долуда Е. О., Лакина М. Е. Изучение способов переработки биомассы с целью получения биоэтанола // Бюллетень науки и практики. 2018. Т. 4. №12. С. 96-100. Режим доступа: http://www.bulletennauki.com/12-36 (дата обращения 15.12.2018).
Cite as (APA):
Lakina, N., Doluda, V., Rabinovich, G., Doluda, E., & Lakina, M. (2018). Methods of biomass processing with the aim of obtaining bioethanol. Bulletin of Science and Practice, 4(12), 96-100. (in Russian).
