CC BY
39УДК 66.022.1
Olga I. Bolotnikova1, Natalia P. Mikhailova2, Anatoly I. Ginak3
ACID AND ENZYMATIC HYDROLYSIS OF NONFOOD-BASED BIOMASS SOURCES: PROSPECTS FOR INDUSTRIAL IMPLEMENTATION
Petrozavodsk State University, pr. Lenina. 33, Petrozavodsk, Republic of Karelia, 185910, Russia
St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: [email protected]
A comparative analysis of basic parameters for acid and enzymatic hydrolysis of non-food biomass is presented. A brief description of the toxic effect of ligninase, furfural, hydroxymethylfurfural, volatile organic acids and ligno-furan complexes on a microbial cell is given. The mechanism of cellulase and hemicellulase enzyme complex activity is considered. Prospects for sulfite liquor bioconversion and also the technological problems encountered in the introduction of enzymatic hydrolysis to bioenergy production from agricultural wastes are discussed.
Keywords: plant biomass waste, acid and enzymatic hydrolysis of lignocellulose
DOI 10.15217Zissn1998984-9.2017.88
Грядущее исчерпание ресурсов нефти и природного газа стимулирует поиск дешевых возобновляемых энергоносителей [1, 2]. Среди потенциальных кандидатов на эту роль рассматривают солнечную энергию, поглощаемую растениями в процессе фотосинтеза [3-5]. К традиционным формам энергоносителей, образуемых микробной клеткой, относятся биоэтанол, биогаз, биобутанол и некоторые другие [6, 7]. Однако неуклонный рост цен на продукты питания (овощные и злаковые сельскохозяйственные культуры, обогащенные крахмалом), а также широкое промышленное использование целлюлозы сделали выбор альтернативных источников сырья одним из главных факторов рентабельности процессов получения биоэнергии.
Известно, что лигноцеллюлоза отходов сельского хозяйства и лесоперерабатывающего комплекса в природ-
О.И. Болотникова1, Н.П. Михайлова2,
А.И. Гинаг
КИСЛОТНЫЙ И ЭНЗИМАТИЧЕСКИЙ ГИДРОЛИЗ НЕПИЩЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЫ: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
Петрозаводский государственный университет (ПетрГУ), пр. Ленина, д. 33, Петрозаводск, Республика Карелия, 185910, Россия
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: [email protected]
Представлен сравнительный анализ основных параметров традиционного кислотного и энзиматического гидролиза вторичных непищевых источников растительной биомассы. Дана краткая характеристика токсического действия фурфурола, оксиметилфцрфурола, летучих органических кислот, веществ лигнофуранового комплекса на микробную клетку. Рассмотрен механизм действия ферментов лигниназного, целлюлазного и гемицеллюлазного комплекса. Обсуждаются перспективы биоконверсии сульфитных щелоков, а также проблемы внедрения энзиматического гидролиза в технологические циклы производства биоэнергии из отходов сельского хозяйства.
Ключевые слова: непищевые источники растительной биомассы, кислотный и энзиматический гидролиз лигно-целлюлозы
ных условиях подвергается длительной биодеградации, хотя продукты ее гидролиза - гексозо-пентозные смеси -легко ассимилируют микроорганизмы различных таксономических групп [8, 9]. Дезинтеграцию гетерополисахаридов растительного происхождения в промышленном масштабе традиционно осуществляют так называемым кислотным способом [10-12]. Наряду с этим активно разрабатываются технологии энзиматического гидролиза таких биополимеров [13-15]. Поэтому цель настоящего обзора заключалась в сравнительном анализе процессов кислотной и энзима-тической деструкции отходов растительной биомассы, а также, обсуждении перспектив использования гексозо-пен-тозных смесей, полученных таким путем, для производства возобновляемых источников энергии.
Лигноцеллюлоза древесных и сельскохозяйственных отходов является смесью углеводородных полимеров (целлюлозы, гемицеллюлозы), лигнина, экстрак-
1 Болотникова Ольга Ивановна, канд. биол. наук; доцент, медицинский ин-т, каф. биомедицинской химии, иммунологии и лабораторной диагностики, Петрозаводский государственный университет, e-mail: [email protected]
Olga I. Bolotnikova, Ph.D., Assistant Professor; Medical Institute, Department of Biomedical Chemistry, Immunology and Laboratory Diagnostics of Petrozavodsk State University
1 Наталья Павловна Михайлова, д-р биол. наук, ст. науч. сотр, каф. молекулярной биотехнологии; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет, e-mail: [email protected],
Natalia P. Mikhailova, Dr Sci. (Biol.), Senior Researcher, Department of Molecular Biotechnology of St Petersburg State Institute of Technology (Technical University).
1 Анатолий Иосифович Гинак, д-р хим. наук, профессор, каф. молекулярной биотехнологии, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), e-mail: [email protected] ,
Anatoly I. Ginak, Dr Sci. (Chem.), Professor, Department of Molecular Biotechnology of St Petersburg State Institute of Technology (Technical University)
Дата поступления - 13 марта 2017 года
тивных веществ и зольных элементов (Рисунок). Лигнин состоит из фенилпропановых мономеров, объединенных в трехмерную структуру, чрезвычайно устойчивую к гидролизу [16]. Содержание лигнина в древесине мягких (хвойных) пород значительно больше, чем в древесине лиственных (твердых) пород деревьев [17]. На долю экстрактивных веществ, растворимых в водных растворах и нейтральных органических растворителях, приходится всего 1-5 %. Эта фракция представлена различными липо- и гидрофильными компонентами, в том числе тер-пеноидами и стероидами, жирами и восками, фенол-со-держащими и неорганическими соединениями. Зольные элементы древесины (смесь К2О, Na2O, МдО, СаО, Р2О5, SO2 и SiO2) составляют около 2 % [16, 17]. Качественный и количественный состав лигноцеллюлозы зависит от источника выделения [18].
Экстрактивный (0-1 %)
вещества (1-5%)
Рисунок. Состав лигноцеллюлозы
Наиболее дешевый способ разрыва связей в макромолекулах целлюлозы и гемицеллюлозы обеспечивают минеральные кислоты, чаще всего, серная либо соляная. Однако их применение увеличивает риск коррозии металлического оборудования, задействованного в работе технологического цикла. Доказано, что катионы Си2+, Fe2+, №2+ и некоторых других металлов ингибируют рост промышленных микроорганизмов [19]. Не подвергаясь какой-либо существенной биотрансформации, такие ингибиторы крайне медленно высвобождаются из биохимических циклов живой клетки [20].
Технологические параметры концентрированного и разбавленного кислотного гидролиза существенно различаются (Таблица 1). Несомненным преимуществом первого способа является высокая эффективность разрыва а - и в -гликозидных связей, мягкий температурный режим обработки растительного сырья. В то же время, значительные объёмы кислоты, длительность и большой расход гипса на нейтрализацию, предшествующую микробиологической конверсии гексозо-пентозных смесей, хорошо иллюстрируют низкую коммерческую привлекательность концентрированного кислотного гидролиза в условиях современной экономики.
Периодические процессы на основе разбавленного кислотного гидролиза непищевых источников растительной биомассы широко использовали в СССР для промышленных и исследовательских целей [18, 19, 21]. Главное преимущество метода - минимальные временные затраты; основные недостатки - экстремальный температурный режим, невысокая эффективность деградации макромолекул гемицеллюлозы и целлюлозы 0,5 % раствором H2SO4. Характеристика гемицеллюлозных фракций древесины, полученных методом непрерывного и двухстадийного кислотного гидролиза, представлена в таблице 2. Обычно такие субстраты включают целый ряд
токсических примесей, происхождение которых отражено в таблице 3. Известно, что данные вещества оказывают неспецифический ингибирующий эффект на метаболизм промышленных микроорганизмов. В частности, трансмембранная диффузия органических кислот (ацетата, формиата и некоторых других) снижает внутриклеточное значение рН, приводя к широкому спектру биохимических изменений [22]. Фурфурол и 5-гидроксиметилфурфурол (оксиметилфурфурол), преобладающие в субстратах из древесины твердых пород и сельскохозяйственных отходов, угнетают активность ферментов пути Эмбдена-Мей-ергофа-Парнаса и пируватдегидрогеназного комплекса [23]. Продукты восстановления гидроксиметоксибензаль-дегидов, производные дифенолов и хинонов (феноларо-матические соединения), сорбируются на поверхности цитоплазматической мембраны в виде коллоидных пленок, нарушая избирательность транспорта различных веществ [24]. Попадая в окружающую среду, токсические примеси уменьшают буферную емкость природных экосистем, воздействуя, главным образом, на лесные массивы и открытые водоемы [25].
Таблица 1. Основные параметры кислотного гидролиза
лигноцеллюлозы [18,19]
Параметры Метод кислотного гидролиза
разбавленный концентрированный
Концентрация кислоты, % 0,5 30-70
Температурный режим, °С 120-234 40
Длительность обработки сырья, час 0,7-0,45 2,0-6,0
Максимальный выход сахаров, % более 80 (гемицел- люлоза); 10-80 (целлюлоза) 100 (гемицеллюло-за); до 90 (целлюлоза)
Недостатки Коррозия металлического оборудования; Образование токсических продуктов деструкции лигноцеллюлозы (фурфурол, оксиметилфурфурол, летучие органические кислоты, вещества лигнофуранового комплекса)
Таблица 2. Качественный и количественный состав кислотных гидролизатов древесины и сульфитных щелоков [27]
Концентрация, г/л
Компонент Гидролизат древесины* Сульфитный щелок**
RB 18,6 42,3 96,0 43,2 18,6
Истинные сахара 15,0 36,3 82,2 22,7 15,0
D-глюкоза 3,80 8,30 44,70 5,60 2,80
D-манноза 2,90 6,00 20,20 10,40 7,95
D-галактоза 0,50 1,30 0,50 0,01 2,45
D-ксилоза 6,90 18,60 11,90 4,50 17,85
L-арабиноза 0,10 1,80 3,70 1,80 1,20
L-рамноза 0,20 0,50 1,20 0,40 0,50
фурфурол 0,24 0,24 0,10 0,05 0,03
Оксиметилфурфурол 0,35 0,35 0,37 0,03 0,28
Летучие органические кислоты 1,70 3,22 0,75 0,75 0,11
Вещества лигно-фурано-вого комплекса 5,80 3,00 1,74 2,80 1,78
Примечание: * - гемицеллюлозные фракции гидролизатов древесины получены методом непрерывного и двухстадийного гидролиза (опытные варки, стенд ВНИИГидролиз); ** - образцы сульфитного щелока Светогорского ЦБК; 1^В- редуцирующие вещества.
Таблица 3. Происхождение токсических примесей, обычных компонентов кислотных гидролизатов лигноцеллюлозы [ 11,19, 26]
Токсический компонент Происхождение
Фурфурол Разложение Р-ксилозы и L-арабинозы
5-дидроксиметилфур- фурол (оксиметилфурфурол) Разложение Р-глюкозы, Р-галактозы и Р-маннозы
Уксусная кислота Реакция деацилирования пентоз
Муравьиная и левулиновая кислоты Разложение фурфурола и оксиметилфурфурола
Производные фенола Деструкция лигнина
Деструкция экстрактивных веществ
Смолы
Аналогичные трудности возникают при утилизации сульфитных щелоков, побочных продуктов целлюлозно-бумажных комбинатов. Известно, что варочная кислота (сложная смесь SO3, H2SO4, NaHSO3, KHSO3, Mg(HSO3)2, NH4+, Mg2+, HSO3" и H+) обеспечивает практически полное извлечение нецеллюлозных компонентов древесины при температуре +110-180 °С под давлением 0,25-1,2 МПа [26]. Из-за деградации пентоз до фурфурола, гек-соз - до 5-гидроксиметилфурфурола, а также образования уроновых кислот (ксилоновой, арабоновой, манноно-вой, глюконовой и галактоновой) в присутствии избытка HSO3- теряется до 40 % исходного количества моносахаридов. Содержание летучих органических кислот в образцах сульфитного щелока зависит от выхода целлюлозы, типа растительного сырья, концентрации HSO3, температурного режима [26-28]. Таким образом, глубина детокси-кации гексозо-пентозной смеси, полученной кислотным способом, будет определять выбор биокатализатора для производства возобновляемых энергоносителей [29, 30]. Широко известно, что ацидофильностью характеризуются дрожжи, ассимилирующие гексозы и пентозы [8, 22, 31]. Кроме того, промышленные штаммы Saccharomyces cerevisiae обладают достаточно высокой устойчивостью к действию ингибиторов, побочных продуктов кислотной деструкции лигноцеллюлозы [32]. Поэтому наибольший экономический эффект может обеспечить комплексная утилизация сахаров сульфитного щелока в технический этанол [33-36].
Благодаря достижениям инженерной энзимоло-гии в пищевой индустрии, а также ряде смежных отраслей широко применяют ферментативные методы гидролиза крахмала и целлюлозы [37-39]. Успешное внедрение в производственные циклы, безопасность для окружающей среды наглядно доказывают актуальность разработки аналогичного процесса для гетерополисахаридов непищевых источников растительной биомассы. Известно, что гидролитическое расщепление гемицеллюлозы осуществляет сложный комплекс целлюлаз и гемицеллюлаз бактериального (Clostridium sp., Cellulomonas sp., Thermo-monospora sp., Bacillus sp., Bacteroides sp., Ruminococcus sp., Erwinia sp., Acetovibrio sp., Microbispora sp., Streptomy-ces sp.) и грибного (Trichoderma sp., Penicillium sp., Fusarium sp., Phanerochaete sp., Humicola sp. и Schizophillum sp.) происхождения [13, 37, 39]. Дезинтеграцию макромолекул гемицеллюлозы, облегчающую доступ этих гидролаз к а-и ß-гликозидным связям между остатками сахаров, осуществляют различными методами. Для предварительной обработки растительного сырья используют механическое измельчение, автогидролиз высокотемпературным паром (+220-270 °С), паровзрывную обработку, ультрозвуковое, микроволновое и гамма-облучение, оксидативную делиг-нификацию (едкими щелочами, аммиаком, хлоридами, диоксидом серы, амидами, разбавленными и концентрированными кислотами) и т.д. [40]. Кроме того, широко обсуждают преимущества ферментативной деградации лигнина, способной значительно увеличить эффективность высвобождения индивидуальных сахаров в ходе гидролиза непищевых источников растительной биомассы [14,40].
Разрушение прочной структуры лигнина - результат действия целой группы лигнолитических ферментов, которые продуцируют различные представители акти-номицетов (Streptomyces sp., Termomonospora sp.) аско-мицетов (Penicillium sp., Aspergillus sp.), базидиальных грибов (Goriolus hirsutus, Panus tigrinus, Polyporus versicolor, Pleurotus ostreatus, Poria subaside, Tyromyces lacte-us), несовершенных грибов (Fusarium, Altermaria), а также некоторые бактерии (Azospirillum sp., Acromobacter sp., Agrobacterium sp., Corynebacterium sp., Nocardia sp., Pseudomonas sp., Xantomonas sp.) [41, 42]. Наибольшую биотехнологическую значимость сегодня представляют лакка-за (ЕС 1.10.3.2), лигнин пероксидаза (ЕС 1.11.1.14) и Мп+2 -зависимая пероксидаза (EC 1.11.1.13). Доказано, что лакказа (О2: пара-дифенолоксиредуктаза) дезинтегрирует сложную структуру полифенолов лигнина, окисляя фенолы, орто- и пара-дифенолы в производные хинонов. Ее активность легко индуцируется катионами Cu2+, красителями и некоторыми другими соединениями [43, 44]. Низкая субстратная специфичность делает возможным использование лакказы не только в технологических процессах получения биотоплива, но также в других областях народного хозяйства (биоремедиация, очистка сточных вод, химический синтез, деградация широкого ряда текстильных красителей). Лигнин пероксидаза (лигниназа) и Мп+2 -зависимая пероксидаза обладают достаточно высоким окислительно- восстановительным потенциалом и низким оптимумом рН. При участии этих ферментов активируется свободно-радикальное окисление широкого спектра ароматических, гетероциклических и хлорорганических соединений [42,43,44]. Перекись водорода, необходимую для протекания данных реакции, продуцируют различные ферменты: глюкозооксидаза, пиранозооксидаза, метено-локсидазы, гликооксидазы и ацил-КоА-оксидаза жирных кислот [41]. Согласно распространенному мнению, наиболее мощным потенциалом действия обладают лигнолити-ческие ферменты грибов белой и бурой гнили [45]. Однако отсутствие тесной взаимосвязи между конечным выходом сахаров и глубиной делигнификации, а также большая длительность технологического цикла обработки растительного сырья (от 13 до 50 дней) сдерживают крупномасштабное промышленное использование лакказы, лигнин пероксидазы и Мп+2 -зависимой пероксидазы [42].
Главным индуктором активности ферментов, разрушающих связи в макромолекулах гемицеллюлозы, является комплекс высоко-специфических целлюлаз. Его состав хорошо изучен [37, 46]. На первом этапе фермент эндоглюканаза (КФ 3.2.1.4) адсорбируется на поверхности макромолекул целлюлозы и частично разрывает ß-1,4-m^ козидные связи. Продуктами этой реакции являются цел-лоолигосахариды различной степени полимеризации, а также небольшое количество целлобиозы. Деградация олигосахаридных фрагментов экзоглюкозидазой (КФ 3.2.1.74) и целлобиогидролазой (КФ 3.2.1.91) заканчивается высвобождением целлобиозы, которая подвергается атаке целлобиазы (КФ 3.2.1.21). Активность некоторых ферментов целлюлазных комплексов грибов представлена в таблице 4. Тем не менее, для полного гидролиза разветвленных макромолекул гемицеллюлозы необходима синергичность действия целлюлаз и высокоспецифичных эндо-1,4- ß-D-ксиланаз, экзо-1,4- ß-D-ксилозидаз, эндо-1,4- ß-D-маннаназ, ß-маннозидаз, ацетилксиланэстераз, а-глюкуронидаз, a-L-арабинофуразидаз, а-галактози-даз, а также некоторых других ферментов, состав которых зависит от природы растительного сырья [38, 47, 48]. Механизм функционирования гемицеллюлазного комплекса до конца не изучен. Полагают, что центральное место в такой гетерогенной системе занимают индуцибельные ксилана-зы, разрывающие гликозидные связи, образованные при участии D-ксилозы - основного пятиатомного сахара геми-целлюлозы однолетних и многолетних растений (таблица 5). Установлено, что их активность зависит от концентрации источников углерода и режима аэрации среды [14, 41].
В отличие от бактериальных, целлюлазы и гемицеллюлазы мицелиальных грибов выделяются непосредственно в окружающую среду, поэтому их активность не ассоциирована тесно с поверхностью клеточной стенки. Данные преимущества широко используют в экспериментах по расчету исходных параметров лабораторного регламента для ферментативного гидролиза разнообразных отходов сельского хозяйства [15, 46-48]. В то же время, соотношение активности компонентов целлюлазного и гемицеллюлазного комплекса у различных представителей данной таксономической группы существенно варьирует (таблица 6).
Таблица 4. Активность отдельных ферментов целлюлазного комплекса различных грибов при значении рН = 4,5 и температуре +40 °С [46]
процессы утилизации непищевых источников растительной биомассы [5, 6, 14].
Таблица 6. Активность целлюлаз и ксиланаз у мицелиальных грибов [49]
Вид Удельная активность компонентов целлюлазных препаратов, ед/г
эндоглюка-наза целлобиаза экзоглюкози-даза
Trichoderma reesei 6ÖÖ 20 100
Trichoderma koningii 60 10 16
Trichoderma lignorum 830 270 200
Trichoderma longibrahiatum 11ÖÖ 70 175
Aspergillus niger 100-270 27-560 0,1-5,6
Aspergillus foetidus 19Ö 3900 <3
Фракция Основная цепь Другие компоненты
Мономер Тип связи Природный источник
Арабок-силаны L-арабино-за* Зерно риса, ржи, соя и оболочки гороха
Глюку-ронок-силаны yS-D-кси-лоза*; e-D-глю-коза 0-1,4 глико- Р-глюку-роновая кислота и ее 4-0-метило-вый эфир Лиственная древесина, стебли злаков и трав
Арабо-глюку-ронок-силаны зидные L-арабино-за*, Р-глю-куроновая кислота и ее 4-0-метило-вый эфир Древесина хвойных пород, стебли злаков, тростника и поверхностных слоев зерна
Арабо-галак-тан в-D-(в-_-) галактоза* 0-1,3- и 0-1,6 (0-1,4)-глико-зидные L-арабиноза и D-глю-куроновая кислота Агар-агара красных и других морских водорослей, хвойные деревья (особенно лиственница), клубни картофеля, корни сахарной свеклы
Вид Активность, ME/мл Концентрация белка в супернатанте, мг/мл
Целлюлаза Ксиланаза
Trichoderma sp. E58 2,3 132,6 1,6
Trichoderma reesi C30 2,6 130,4 2,2
Trichoderma viride D39 1,0 59,0 1,0
Trichoderma viride D59 2,7 119,1 0,9
Phialophora americana 0,5 11,6 0,5
Sytalidium lignicola 1,1 20,1 0,3
Libertella sp. 0,1 2,0 0,1
Myrothecium verrucaria 1,6 50,5 1,5
Примечание: 1 ед. активности (единица активности) соответствует превращению 1 мкмоль субстрата (в случае экзоглюкозидазы - образованию 1 мкмоль глюкозы) за 1 мин.
Таблица 5. Структурные особенности гемицеллюлозы различных непиЩевых источников биомассы [16,17]
Примечание: *- встречаются 3-0-ацетил-, 2-0-ацетил- и 2,3-ди-0-ацетилпроизводные формы соответствующего моносахарида
Мягкий режим обработки растительного сырья (температура +40-50 °С; рН = 4,5-5,0) и отсутствие токсических примесей делают гексозо-пентозные смеси, полученные ферментативным способом, пригодными для бактериальной конверсии в этанол, бутанол, а также целый ряд других продуктов, широко используемых различными отраслями промышленности и народного хозяйства [8, 49-54]. Тем не менее, длительный, более чем 5-ти суточный технологический цикл, индивидуальный подбор микробных гидролаз, учитывающий структурные особенности и природу лигноцеллюлозного сырья, тормозят внедрение энзиматического гидролиза в крупномасштабные
Примечание: МЕ - международная единица активности фермента, соответствует превращению 1 мкмоль субстрата в продукт за 1 мин.
Заключение
Таким образом, каждый из рассмотренных выше методов деструкции гетерополисахаридов лигноцел-люлозы характеризуется своими преимуществами и недостатками. Для РФ с хорошо развитой сетью целлюлозно-бумажных комбинатов проблема биотрансформации сульфитных щелоков не потеряла своей актуальности. Эффективная конверсия таких субстратов в биоэтанол невозможна без совершенствования технологий предварительной детоксикации гексозо-пентозных смесей, а также конструирования штаммов ксилозоассимилирую-щих дрожжей, устойчивых к ингибиторам [55]. Использование ферментативного гидролиза для утилизации разнообразных отходов сельского хозяйства, несомненно, улучшит экологическую ситуацию и качество жизни населения агропромышленных регионов РФ, расширит спектр дешевых возобновляемых энергоносителей [56, 57]. Тем не менее, иммобилизация сложного комплекса лигниназ, целлюлаз и гемицеллюлаз требует принципиально новых решений, отличающихся от технологии промышленной биодеградации растительных гомополиса-харидов.
Литература
1. Кудрявцева О.В., Яковлева Е.Ю., Вильт М.В. Типология биотехнологий и место в ней российской биоэнергетической отрасли // Вестник университета. 2014. № 13. С. 123-132.
2. Рифкин Дж. Третья промышленная революция: Как горизонтальные взаимодействия меняют энергетику, экономику и мир в целом / Пер. с англ. М.: Альпина нон-фикшн, 2014. 410 с.
3. Звонов В.А., Козлов А.В., Теренченко А.С. Исследование эффективности применения в дизельных двигателях топливных смесей и биотоплив // Рос. хим. журн. 2008. T. I_II. № 6. С. 147-151.
4. M0ller F., Slent0 E., Frederiksen P. Integrated well-to-wheel assessment of biofuels combining energy and emission LCA and welfare economic cost benefit analysis // Biomass Bioenergy. 2014. Vol. 60. P. 41-49.
5. Pantaleo A.M., Giarola S., Pantaleo A.M., Shah N., Bauen A. Integration of biomass into urban energy systems for heat and power. Part II: Sensitivity assessment of main techno-economic factors // Energy Convers. Management. 2014. Vol. 83. P. 362-376.
6. Pothiraj C., Kanmani P., Balaji P. Bioconversion of lignocellulose materials // Mycobiolog. 2006. Vol. 34. № 4. P. 159-165.
7. Dart R.K., Bets W.F. Uses and potential of lignocellulose. London: London Limited, 1991. 201 p.
8. Jeffries T.W. Utilization of xylose by bacteria, yeasts and fungi: A review // Adv. Biochem. Biotechnol. 1983. №27. P. 1-32.
9. Микробиология и биохимия разложения растительных материалов / Под. ред. Г.К. Скрябина. М.: Наука, 1988. 120 с.
10. Кузнецов В.М., Голубков И.М., Островская Ю.В. Направления утилизации лигноцеллюлозного сырья в гидролизной промышленности // Гидролизная и лесохимическая пром-сть. 1992. № 1. C. 1-4.
11. Taherzadeh M.J., Keikhosro K. Acid-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: A review // BioResource. 2007. Vol. 3. № 2. P. 472-499.
12. Novy V., Krahulec S., Longus K., Klimacek M., Nidetzky B. Co-fermentation of hexose and pentose sugars in a spent sulfite liquor matrix with genetically modified Saccha-romyces cerevisiae // Bioresource Technol. 2013. Vol. 130. P. 439-448.
13. Cheng H., Wang L. Lignocelluloses feedstock biorefinery as petrorefinery substitutes. In: M.D. Matovic (Ed), Biomass Now - Sustainable Growth and Use. InTech, Croatia, Rijeka, 2013. P. 347-388.
14. Ghosh P., Singh A. Physiochemical and biological treatments for enzymatic/microbial conversion of lignocellulosic biomass // J. Adv. Appl. Microbiology. 1993. Vol. 39 P. 295-333.
15. Макарова Е.И., Будаева В.В., Скиба Е.А. Ферментативный гидролиз целлюлоз из плодовых оболочек овса при различных концентрациях субстрата // Химия растительного сырья. 2013. № 2. C. 43-50.
16. Кочетков Н.К., Бочков А.Ф., Дмитриев Б.А., Усов А.И., Чижов О.С., Шибаев В.Н. Химия углеводов. М.: Химия, 1967. 671 с.
17. Дудкин М.С., Громов В.С., Ведерников Н.А., Каткевич Р.Г., Черно Н.К. Гемицеллюлозы. Рига: Зинат-не, 1991. 488 с.
18. Шарков В.И., Сапотницкий С.А., Дмитриева О.А., Туманов И.Ф. Технология гидролизных производств. М.: Лесная пром-сть, 1973. 408 с.
19. Холькин, Ю.И. Технология гидролизных производств. М.: Лесная пром-сть, 1989. 496 с.
20. Литвиненко Л.В., Гордеева В.А. Влияние тяжелых металлов на жизнеспособность целлюлозоразру-шающих бактерий в условиях многолетнего техногенного загрязнения дерново-луговых почв // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2017. № 2-3. С. 50-54.
21. Корольков И.И. Перколяционный гидролиз растительного сырья. М.: Лесная пром-ть, 1990. 271 с.
22. Lohmeier-Vogel E.M., Sopher C.R., Lee H. Intracellular acidification as a mechanism for the inhibition by acid hydrolysis-derived inhibitors of xylose fermentation by yeasts // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 1998. Vol. 20. I.2. P. 75-81.
23. Helle S., Cameron D., Lam J., White B. Effect of inhibitory compounds found in biomass hydrolysates on growth and xylose fermentation by a genetically engineered strain of Saccharomyces cerevisiae // Enzyme Microb. Technol. 2003. Vol. 33. P. 786-792.
24. Palmqvist E., Hahn-Hagerdal B. Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. I: inhibition and detoxification // Biores. Technol. 2000. Vol. 74. I.1. P. 17-24.
25. Третьякова Е.М., Петрухин Я.В. Целлюлозно-бумажная промышленность: обеспечение безопасности и проблемы переработки отходов // Вектор науки ТГУ. 2012. № 1(19). С. 43-45.
26. Сапотницкий С.А. Использование сульфитных щелоков. М.: Лесная пром-ть, 1965. 283 с.
27. Борохова, О.Э. Дрожжи, продуцирующие этанол из D-ксилозы: дис. ... канд. биол. наук: 03.00.23: Л.,
1994. 156 с.
28. Larsson S., Palmqvist E., Hahn-Hagerdal B., Tengborgt C., Stenbergt K., Zacchit G., Nilvebrant N.-O. The generation of fermentation inhibitors during dilute acid hydrolysis of softwood // Enzym. Microb. Technol. 1999. Vol. 24. I. 3-4. P. 151-159.
29. Keller F.A., Bates D., Ruiz R., Nguyen Q. Yeast adaptation on softwood prehydrolysate // Appl. Biochem. Bio-technol. 1998. Vol. 70-72. P. 137-148.
30. Almeida J.M.T., Petersson A., Hahn-Hagerdal B., Lidén G., Gorwa-Grauslund M.F. Increased tolerance and conversion of inhibitors in lignocellulosic hydrolysates by Saccharomyces cerevisiae // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2007. Vol. 82. I. 4. P. 340-349.
31. Шаповалов О.И., Яблочкова Е.Н., Михайлова Н.П., Огородникова Т.Е. Перспективы получения этанола из гемицеллюлозы растительной биомассы // Химия древесины. 1995. № 3. C. 15-19.
32. Каталог культур микроорганизмов, поддерживаемых в СССР / Под ред. В.И. Кудрявцева. М: Наука, 1981. 244 с.
33. Safi B.F., Rouleau D., Mayer R.C., Destochers M. Fermentation kinetics at spent sulfite liquor by Saccharomyces cerevisiae // Biotechnol. Bioeng. 1986. Vol. 28. № 7. P. 944-951.
34. Nigam J.N. Bioconversion of water-hyacinth (Eichhornia crassipes) hemicellulose acid hydrolysate to motor fuel ethanol by xylose-fermenting yeast // J. Biotech. 2002. Vol. 97. P. 107-146.
35. Hamelinck C.N., Hooijdonk G.V., Faaij A.P.C. Ethanol from lignocellulosic biomass: technoeconomic performance in short-, middle- and long-term // Biomass Bioenergy. 2005. Vol. 28. P. 384-410.
36. Gírio F.M., Fonseca C., Carvalheiro F., Duarte L.C., Marques S., Bogel-tukasik R. Bogel-tukasik R. Hemi-celluloses for fuel ethanol // Bioresour. Technol. 2010. Vol. 101. № 13. P. 4775-4800.
37. Лобанок А.Г., Бабицкая В.Г. Микробиологический синтез белка на целлюлозе, Минск: Наука и техника, 1976. 229 с.
38. Герман Л.С. Комплексная технология переработки некондиционного зерна как исходная стадия биотехнологических производств: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 03.01.06: М.,: 2012. 20 с.
39. Демьянцева. Е.Ю., Копнина Р.А. Ферментативный катализ в ЦБП: учебно-метод. пособие. СПб.: Ризограф СПбГТУРП, 2014. 47 с.
40. Синицин А.П., Гусаков А.В., Черноглазов В.М. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. М: МГУ,
1995. 220 с.
41. Сушков В.И., Воробьева Г.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные вещества. М: ДеЛи принт, 2008. 216 с.
42. Plácido J., Capareda S. Ligninolytic enzymes: a biotechnological alternative for bioethanol production // Biores. Bioproc. 2015. P. 2-23.
43. Лисов А.В. Гибридная Mn-пероксидаза гриба Panus tigrinus 8/18: дис. ... канд. биол. наук: 03.00.04: Пу-щино, 2005. 95 c.
44. Купряшина М.А., Ветчинкина Е.П., Пономарева Е.Г., Никитина В.Е. Индукторы активности Mn-пероксидазы и лакказы Azospirillum brasilense SP245 // Известия Самарского научного центра РАН. 2013. Т. 15. № 3(1) С. 563-566.
45. Górska E.B., Jankiewicz U., Dobrzyñski J., Galqzka А., Sitarek M., Gozdowski D., Russel S., Kowal-czyk P. Production of ligninolytic enzymes by cultures of white rot fungi // Pol J. Microbiol. 2014. Vol. 63. №.4. P. 461-465.
46. Колесов А.А., Григорали С.Ю. Ферментативный гидролиз целлюлозы. III Закономерности об-
разования глюкозы и целлобиозы при действии полиферментных целлюлазных систем на нерастворимую (природную) целлюлозу // Биоорган. химия. 1981. Т. 7. № 10. С. 1538-1552.
47. Королев К.Г., Ломовский О.И., Политое А.А., [и др.]. Способ получения сахаров ферментативным гидролизом обработанных пустых фруктовых гроздей-отходов масличной пальмы: Espacenet Patent search: WO2012049531A1. № PCT/IB2010/003408 заявл 10.10.2010; опубл. 19.04.2012.
48. Будаева В.В., Макарова Е.И., Скиба Е.А., Сакович Г.В. Ферментативный гидролиз продуктов ги-дротермобарической обработки мискантуса и плодовых оболочек овса // Катализ в промышленности. 2013. № 3. С. 60-66.
49. Saddler J.N., Yu E.K.C., Mes-Hartree M., Levitin N., Harold A. Utilization of enzymatically hydrolyzed wood hemicelluloses by microorganisms for production of liquid fuels // Appl. Environ. Microb. 1983. Vol. 45. №. 1. P. 153-160.
50. Martin C., Galbe M., Wahlbom C.F., Hahn-Hag-erdal B., Jonsson L.J. Ethanol production from enzymatic hydrolysates of sugarcane bagasse using recombinant xylose-utilising Saccharomyces cerevisiae // Enzym. Microb. Technol. 2002. Vol. 31 P. 274-282.
51. Qureshi N., Li X.L., Hughes S., Saha B.C., Cotta M.A. Butanol production from corn fiber xylan using Clostridium acetobutylicum // Biotechnol. Prog. 2006. Vol. 22, № 3. P. 673-680.
52. Ezeji T., Qurehi N., Blaschek H.P. Butanol production from agricultural residues: impact of degradation products on Clostridium beijerinckii growth and butanol fermentation // Biotechnol. Bioeng. 2007. Vol. 97. № 6. P. 14601469.
53. Султанова Л.М., Хусаинова Э.Ф., Петухова Н.И., Зорин В.В. Исследование биоконверсии древесных отходов и луговых трав в биотопливо // Башкирский химический журнал. 2010. Т. 17. № 5. С. 60-63.
54. Передерий С. Жидкое биотопливо из сырья растительного происхождения // ЛесПромИнформ. 2013. № 6(96). www.LesPromInform.ru.
55. Fernandes S., Murray P. Metabolic engineering for improved microbial pentose fermentation // Bioeng. Bugs. 2010. Vol. 1. №6. Р. 424-428.
56. Saravanakumar K., Kathiresan K. Bioconversion of lignocellulosic waste to bioethanol by Trichoderma and yeast fermentation // 3 Biotech. 2014. Vol. 4. № 5. P. 493-499.
57. Ларченко В.М., Джафаров Т.А. Перспективы и проблемы использования биоэнергетики в Красноярском крае // Вестник КрасГАУ. 2011. № 11. С. 192-198.
References
1. Kudryavtseva O.V., Yakovleva E.Yu., WiltM.V. Typology of biotechnology and the place of russian bioenergy in this tipology // Vestnik universiteta. 2014. №13. P. 123-132.
2. Rifkin J. The third industrial revolution: how lateral power is transforming energy, the economy, and the world. N.Y.: St. Martin's Press, 2011. 304 p.
3. Zvonov V.A., Kozlov A.V., Terenchenko A.S. Issledovanie effektivnosti primenenija v dizelnih dvigateljah toplivnih smesei i biotopliv // Ros. хт Jurn. 2008. V. LII. № 6. P. 147-151.
4. M0ller F., Slent0 E., Frederiksen P. Integrated well-to-wheel assessment of biofuels combining energy and emission LCA and welfare economic cost benefit analysis // Biomass Bioenergy. 2014. Vol. 60. P. 41-49.
5. Pantaleo A.M., Giarola S., Pantaleo A.M., Shah N., Bauen A. Integration of biomass into urban energy systems for heat and power. Part II: Sensitivity assessment of main techno-economic factors // Energy Convers. Management. 2014. Vol. 83. P. 362-376.
6. Pothiraj C., Kanmani P., Balaji P. Bioconversion of lignocellulose materials // Mycobiolog. 2006. Vol. 34. № 4. P. 159-165.
7. Dart R.K., Bets W.F. Uses and potential of lignocellulose. London: London Limited, 1991. 201 p.
8. Jeffries T.W. Utilization of xylose by bacteria, yeasts and fungi: A review // Adv. Biochem. Biotechnol. 1983. № 27. P. 1-32.
9. Mikrobiologija i bioximija razlozenija rastitel"nih materialov / Pod red. G.K. Scriabina. M.: Nauka, 1988. 120 p.
10. Kuznetsov V.M., Golubkov I.M., Ostrovska-ya Yu.V. Napravlenija utilizatsii lignotselluloznogo sir'ja v gidroliznoi promishlennosti // Gidroliznaja i lesoximitcheskaja prom-st. 1992. № 1. P. 1-4.
11. Taherzadeh M.J., Keikhosro K. Acid-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: A review // BioResource. 2007. Vol. 3. № 2. P. 472-499.
12. Novy V., Krahulec S., Longus K., Klimacek M., Nidetzky B. Co-fermentation of hexose and pentose sugars in a spent sulfite liquor matrix with genetically modified Saccharomyces cerevisiae // Bioresource Technol. 2013. Vol. 130. P. 439-448.
13. Cheng H., Wang L. Lignocelluloses feedstock biorefinery as petrorefinery substitutes. In: M.D. Matovic (Ed), Biomass Now - Sustainable Growth and Use. InTech, Croatia, Rijeka, 2013. P. 347-388.
14. Ghosh P., Singh A. Physiochemical and biological treatments for enzymatic/microbial conversion of lignocel-lulosic biomass // J. Adv. Appl. Microbiology. 1993. Vol. 39 P. 295-333.
15. Makarova E.I., Budaeva V.V., Skiba Ye.A. Enzymatic hydrolysis of cellulose from oat husks at various substrate concentrations // Ximija rastitel"nogo sir"ja. 2013. № 2. P. 43-50.
16. Kochetkov N.K., Bochkov A.F., Dmitriev B.A., Usov A.I., Chizhov O.S., Shibaev V.N. Ximija uglevodov. M.: Ximija, 1967. 671 p.
17. Dudkin M.S., Gromov V.S., Vedernikov N.A., Katkevich R.G., Cherno N.K. Gemitsellulozi. Riga: Zinatne Publishing House, 1991. 488 c.
18. Sharkov V.I., Sapotnitsky S.A., Dmitrieva O.A., Tumanov I.F. Tehnologija gidroliznih proizvodstv. M.: Lesnaja prom-st", 1973. 408 c.
19. Kholkin Yu.I. Tehnologija gidroliznih proizvodstv. M.: Lesnaja prom-st", 1989. 496 p.
20. Litvinenko L.V., Gordeeva V.A. Vlijanie tjazolih metallov na jiznesposobnost" tsellulozorazrusajushsih bakte-rii v uslovijah mnogoletnego tehnogennogo zagrjaznenija der-nogo-lugovih potshv // Aktual"nie problemi gumanitarnih i est-estvennih nauk. 2017. № 2-3. P. 50-54.
21. Korolkov I.I. Perkolatsionnii gidroliz rastitel"nogo sirja. M.: Lesnaja prom-st", 1990. 271 p.
22. Lohmeier-Vogel E.M., Sopher C.R., Lee H. Intracellular acidification as a mechanism for the inhibition by acid hydrolysis-derived inhibitors of xylose fermentation by yeasts // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 1998. Vol. 20. I.2. P. 75-81.
23. Helle S., Cameron D., Lam J., White B. Effect of inhibitory compounds found in biomass hydrolysates on growth and xylose fermentation by a genetically engineered strain of Saccharomyces cerevisiae // Enzyme Microb. Tech-nol. 2003. Vol. 33. P. 786-792.
24. Palmqvist E., Hahn-Hagerdal B. Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. I: inhibition and detoxification // Biores. Technol. 2000. Vol. 74. I.1. P. 17-24.
25. Tretyakova E.M., Petrukhin Ya.V. Industry of cellulose-paper: secure of safety and the problems from remake of wastes // Vektor nauki TGU. 2012. №1(19). P. 43-45.
26. Sapotnitsky S.A. Ispol"zovanie sul"fitnih stchelokov. M.: Lesnaja prom-st", 1965. 283 p.
27. Borokhova O.E. Drozzi, produtsirujustchie etanol is D-ksilozi: dis. ... kand. biol. nauk: 03.00.23: L., 1994. 156 p.
28. Larsson S., Palmqvist E., Hahn-Hagerdal B., Tengborgt C., Stenbergf K., Zacchit G., Nilvebrant N.-O. The generation of fermentation inhibitors during dilute acid hydrolysis of softwood // Enzym. Microb. Technol. 1999. Vol. 24. I. 3-4. P. 151-159.
29. Keller F.A., Bates D., Ruiz R., Nguyen Q. Yeast adaptation on softwood prehydrolysate // Appl. Biochem. Biotechnol. 199В. Vol. 70-72. P. 137-148.
30. Almeida J.M.T., Petersson A., Hahn-Hägerdal B., Lidén G., Gorwa-Grauslund M.F. Increased tolerance and conversion of inhibitors in lignocellulosic hydrolysates by Sac-charomyces cerevisiae // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2007. Vol. 82. I.4. P. 340-349.
31. Shapovalov O.I., Yablochkova E.N., Mikhailova N.P., Ogorodnikova T.E. Perspektivi polutchenija etanola iz gemitsellulozi rastitel'noi biomassi // Ximija drevesini. 1995. №3. C. 15-19.
32. Katalog kul'tur mikroorganizmov, podderzivae-mih v USSR / Pod red. V.l. Kudryavtseva М: Nauka, 19В1. 244 p.
33. Safi B.F., Rouleau D., Mayer R.C., Destochers M. Fermentation kinetics at spent sulfite liquor by Saccharo-myces cerevisiae // Biotechnol. Bioeng. 19В6. Vol. 28. № 7. P. 944-951.
34. Nigam J.N. Bioconversion of water-hyacinth (Eichhornia crassipes) hemicellulose acid hydrolysate to motor fuel ethanol by xylose-fermenting yeast // J. Biotech. 2002. Vol. 97. P. 107-146.
35. Hamelinck C.N., Hooijdonk G.V., Faaij A.P.C. Ethanol from lignocellulosic biomass: technoeconomic performance in short-, middle- and long-term // Biomass Bioenergy. 2005. Vol. 28. P. 384-410.
36. Gírio F.M., Fonseca C., Carvalheiro F., Duarte L.C., Marques S., Bogel-tukasik R. Bogel-tukasik R. Hemi-celluloses for fuel ethanol // Bioresour. Technol. 2010. Vol. 101. №13. P. 4775-4800.
37. Lobanok A.G., Babitskaya V.G. Mikrobiolog-itcheskii sintez belka na tselluloze, Minsk: Nauka i texnika, 1976. 229 p.
38. German L.S. Kompleksnaja tehnologija per-erabotki nekonditshionnogo zerna kak ishodnaja stadija biotehnologitcheskih proizvodstv. Avtoref. dis... kand. teh. nauk: 03.01.06, M.: 2012. 20 p.
39. Demyantsev. E.Yu., Kopnina R.A. Fermentativnii kataliz v SBP. Utchebno-metod. posobie. SPb.: SPbGTURP, 2014. 47 p.
40. Sinitsin A.P., Gusakov A.V., Chernoglazov V.M. Bioconversion of lignocellulose materials. M: Publishing House of Mocow State University, 1995. 220 p.
41. Sushkov V.l., Vorobyova G.I. Bezothodnaja kon-versija rastitel'nogo sirja v biologitcheski aktivnie vesthestva. M: Publishing House DeLi print, 2008. 216 p.
42. Plácido J., Capareda S. Ligninolytic enzymes: a biotechnological alternative for bioethanol production // Biores. Bioproc. 2015. P. 2-23.
43. Lisov A.V. Gibridnaja Mn-peroksidaza griba Panus tigrinus 8/18: Dis. ... cand. biol. sciences: 03.00.04: Pushchino, 2005. 95 p.
44. Kupryashina M.A., Vetchinkina E.P., Ponomareva E.G., Nikitina V.E. Inducers of Mn-peroxidase and laccase activities in Azospirillum brasilense SP245 // Izvestija Samarsko-
go nautchnogo tsentra RAN. 2013. Vol. 15. № 3(1). P. 563-566.
45. Gôrska E.B., Jankiewicz U., Dobrzynski J., Galqzka А., Sitarek M., Gozdowski D., Russel S., Kowalczyk P. Production of ligninolytic enzymes by cultures of white rot fungi // Pol J. Microbiol. 2014. Vol. 63. №. 4. P. 461-465.
46. Kolesov A.A., Grigorali S.Yu. Enzymatic hydrolysis of cellulose. III Regularities of the glucose and cellobiose formation under the action multienzyme cellulase systems on insoluble (native) cellulose // Soviet J. Bioorgan. Chem. 1981. Vol. 7. № 10. С. 1538-1552.
47. Korolev K.G., Lomovsky O.I., Politov A.A., Golyazimova (Bershak) O.V., Bychkov A.L. Process for producing sugars by enzymatic hydrolysis of pretreated efb oil palm waste Espacenet Patent search: № W02012049531 A1. № PCT/IB2010/003408; zayavl. 12.10.2010; opubl. 19.04.2012.
48. Budaeva V.V., Makarova E.I., Skiba E.A., Sakov-ich G.V. Enzymatic hydrolysis of products of hydro-thermo-baric processing of miscanthus and oat hull fibre // Kataliz v promislennosti. 2013. № 3. P. 60-66.
49. Saddler J.N., Yu E.K.C., Mes-Hartree M., Levitin N., Harold A. Utilization of enzymatically hydrolyzed wood hemicelluloses by microorganisms for production of liquid fuels // Appl. Environ. Microb. 1983. Vol. 45. №. 1. P. 153-160.
50. Martin C., Galbe M., Wahlbom C.F., Hahn-Häg-erdal B., Jönsson L.J. Ethanol production from enzymatic hydrolysates of sugarcane bagasse using recombinant xylose-utilising Saccharomyces cerevisiae // Enzym. Microb. Technol. 2002. Vol. 31 P. 274-282.
51. Qureshi N., Li X.L., Hughes S., Saha B.C., Cotta M.A. Butanol production from corn fiber xylan using Clostridium acetobutylicum // Biotechnol. Prog. 2006. Vol. 22, № 3. P. 673-680.
52. Ezeji T., Qurehi N., Blaschek H.P. Butanol production from agricultural residues: impact of degradation products on Clostridium beijerinckii growth and butanol fermentation // Biotechnol. Bioeng. 2007. Vol. 97. № 6. P. 14601469.
53. Sultanova L.M., Khusainova E.F., Petukhova N.I., Zorin V.V. Bioconversion of wood waste and grass into biofuel // Bachkirskii ximitcheskii zurnal. 2010. Vol. 17. № 5. P. 60-63.
54. Perederiy S. Zidkoe biotoplivo iz sir'ja rastitel'-nogo proichozdenija // LesPromlnform. 2013. № 6 (96). www. LesPromInform.ru.
55. Fernandes S., Murray P. Metabolic engineering for improved microbial pentose fermentation // Bioeng. Bugs. 2010. Vol.1. № 6. Р. 424-428.
56. Saravanakumar K., Kathiresan K. Bioconversion of lignocellulosic waste to bioethanol by Trichoderma and yeast fermentation // 3 Biotech. 2014. Vol. 4. № 5. P. 493-499.
57. Larchenko V.M., Jafarov T.A. Perspectives and problems of bioenergetics use in Krasnoyarsk region // Vest-nik KrasGAU. 2011. № 11. P. 192-198.
