CC BY
16УДК 578:542.938
Келдиёрова Ш.
магистрант
Самаркандский государственный университет
Тошмуродов Д.
магистрант
Самаркандский государственный университет
Аликулов Б.
доцент
Самаркандский государственный университет
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФЕРМЕНТАТИВНОМУ ГИДРОЛИЗУ ЛИГНОЦЕЛЮЛЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
Аннотация: химические методы в настоящее время используются в гидролизе лигноцеллюлозосодержащего сырья в мировой практике. Существует ряд положительных свойств ферментативного гидролиза лигноцеллюлозного консерванта сырья в присутствии микроорганизмов. В этой статье обобщены текущие исследования ферментативного гидролиза и их последствий.
Ключевые слова: лигноцеллюлозное сырье, химический гидролиз, ферментативный гидролиз, гексозная фракция, пентозная фракция.
В настоящее время ведутся исследования по разработке альтернативных
нетрадиционных источников энергии, включая растительную биомассу. Одной из
важных задач в этом отношении является создание и совершенствование
биотехнологии для производства биотоплива из остаточной биомассы растений,
которые широко распространены в нашей стране и целенаправленно не используются в
секторах экономики. Обоснование научных решений в таких направлениях, как выбор
оптимальных условий для эффективной химической и микробиологической обработки
96
биомассы для увеличения разнообразия альтернативных источников энергии с использованием растительной биомассы, используя производство биоэтанола из биомассы оценка экономической эффективности является важным научным и практическим значением.
Очень медленное прохождение ферментолиза лигноцеллюлозы было определено Б.Х. Кимом (1981). Он показал три причины такого процесса: во-первых, основная масса целлюлозы в лигноцеллюлозе имеет умеренную кристаллическую структуру; вторая причина заключается в том, что лигнин, который окружает целлюлозу, служит как физический барьер для ферментов; и, наконец, третья причина заключается в том, что между целлюлозой и ферментом не так много точек соприкосновения.
В опубликованной до настоящего времени научной литературе, методы обработки субстрата лигноцеллюлозы были разделены на 2 типа, а именно физические и химические методы (Алмодарес, 2009). В свою очередь, физические методы подразделяются на механические и немеханические методы. На практике используются больше химические методы, поскольку эти методы позволяют не только разделить лигноцеллюлозу на фракции, но также дают возможность химически ее модифицировать. Существует несколько эффективных способов переработки лигноцеллюлозосодержащего растительного сырья высокой плотности (Авгериноус, 1980). Одним из методов является, например то, что перед ферментацией колосковых растений или рисовой соломы обрабатывают острым паром. Было найдено, что давление и время обработки влияют на чувствительность субстрата к активности фермента. Было показано, что кратковременное воздействие за 2 минуты 35 атм давления оказывает положительное влияние на ферментативное засахаривание соломы и брожение алкоголя. В то же время уровень засахаривания составляло 92%, а производство глюкозы - 76%. Эти показатели более эффективны, чем традиционные методы. (Монируззамон, 2007) предложили предварительную паровую обработку перед ферментацией (1 час при 1650°С) для гидролиза растительных отходов до ксилозы. По мнению автора, наибольшее распространение этанола наблюдалось в питательной среде, содержащей 2% ксилозы, при выращивании штаммов Pachysolen toppophillus, что составляло 83% от теоретического выхода.
Stake Technology (Канада) разработала метод аутогенного расщепления лигноцеллюлозы (1981). Этот метод аналогичен полировке, но процесс осуществляется на специальном устройстве с непрерывным эффектом. Во время процесса три основных компонента древесины: целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин отделяются друг от друга. В результате образуется до 80% возможной по теории алкоголя, фурфурола и ксилита. Лигнин может быть использован в качестве источника тепла, для получения химических продуктов при производстве кормов животным.
В развитых странах ведутся исследования по оптимизации ферментативного гидролиза возобновляемого лигноцеллюлозосодержащего сырья. Например, работа США и публикация их результатов составляют 25% работы по этой теме в мире. (Хилоидхари, 2014).
Известно, что основной структурной единицей растений являются клетки, в состав которых входят клеточная оболочка клетки, протопласт и вакуоль. По словам М.Н. Бейнарта (Бейнарт, 1972) в своих работах отметили то, что отличительной чертой клетки растений от других клеток является оболочка, состоящая из лигноцеллюлозы, которая очень хорошо сформирована, она очень прочная и выживает даже после разрушения протопласта, состоящая из тонкого слоя целлюлозы и гемицеллюлозы (третичная стенка), широкая вторичная стенка (состоит из целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы) и первичная стенка. Л.С. Саматова (1983) отметила, что целлюлоза находящаяся в клеточной мембране является очень устойчивым соединением с длительным хранением, которое не растворяется в воде даже при кипячении, но бактерии, которые находятся в желудках лошадей, крупного рогатого скота, выделяют целлюлолитические ферменты, которые разрушают клетчатку, что вызывает разрушение целлюлозы.
В работах Б. Ергенсона (1964) и З.А. Роговина (1972) дана информация о том, что кроме целюллозы в природных целлюлозосодержащих субстратах, в том числе и в растительных биомассах помимо целлюлозы есть также гемицеллюлоза, лигнин, дубильные вещества, крахмал, масла, белки (от 2 до 10%), различные смолы, терпены и другие органические соединения. По их мнению, эти вещества не только прилипают к
поверхности микрофибрилл целлюлозы, но они также могут проникать во внутрь микрофибрилл.
Как уже упоминалось выше, молекула целлюлозы не имеет известной длины, ее высокоупорядоченная часть представлена кристальной частью, а неупорядоченная часть является аморфной частью. Н.А. Жуков и соавт. (1988) утверждает, что, поскольку аморфная часть имеет пористую структуру, она лучше восприимчив действиям кислоты или фермента. В.П. Шарков и соавт. (1972) отметили, что количество гликозидных связей, подвергаемых воздействию ферментов, в значительной степени зависит от степени набухания целлюлозы. По их словам, увеличение набухания связано с механической и физической обработкой, такой как воздействие пара, дробление, ультразвук. B. Ranby (1969) показал, что минеральные кислоты и щелочи увеличивают всё волокнистое набухание при высоких концентрациях, главная причина в том, что эти вещества могут разрывать водородные связи и проникать в кристаллический участки.
Специфичность структуры древесной целлюлозы определяется водородными
связями между целлюлозой и гемицеллюлозой, которые делают целлюлозу более
восприимчивой к действию целлюлолитических ферментов (2012). Гемицеллюлоза
играет структурную функцию и участвует в формировании скелетов растений, а также
действует как резервное вещество, участвующее в метаболическом процессе. Помимо
компонентов растительных клеток также присутствует лигнин. Этот полимер с
третичной структурой состоит в основном из фенилпропановой группы. Лигнин не
встречается в природе и структурно не связан с полисахаридами. Он приводит к
плохому состоянию разложения целлюлозы и гемицеллюлозы. При рассмотрении
биоконверсии лигноцеллюлозных растительных субстратов важно учитывать,
существуют ли другие природные соединения, такие как лиганды, которые являются
частью субстрата и которые обеспечивают стабильность субстрата (2008). Для
биотехнологов важно точно знать структуру субстрата, так как может облегчить
биоконверсию субстрата. В своих исследованиях Мюллис проанализировал
превращение целлюлозы и гемицеллюлозной кислоты в гидролизе фермента в
моносахарид, а затем в этиловый спирт (1985). Кислотный гидролиз или обработка
99
целлюлозы и гемицеллюлозы органическими растворителями требует значительных затрат. Зарождаются проблемы отгонки кислоты из продуктов гидролиза и регенерация растворителей. А.М. Безбородовой (2004) и С. Баширом (1994) был отмечен, что промышленный способ получения этилового спирта на основе ферментативного гидролиза целлюлозы установлены в США, Японии, Великобритании и многих других странах. Эта технология используется для расщепления целлюлозосодержащего сырья (изделий из древесины, хлопчатобумажной бумаги, рисовой и пшеничной соломы, бумаги), превращенного в сахар с использованием целлюлозного фермента или обработанного культивируемыми жидкостями, такими как Trichoderma viride, Trichoderma reesei. Полученный раствор глюкозы подвергают спиртовому брожению в анаэробных условиях с использованием Saccharomyces cerevisiae Pichia или Rhizopus javanilus. Этот метод требует участия фермента целлюлазы, который катализирует превращение целлюлозы в глюкозу в среде фермента, и микроорганизма, который образует этанол из глюкозы. Е.В. Скворцов (2014) на Trichoderma viride, Ю. Морозова и соавт. (2013) на Trichoderma reesei изучая процесс ферментативного гидролиза определили, что этот процесс наиболее интенсивен при 45-50 ° С, что доказало целесообразность использования микроорганизмов из термофильных штаммов. Т.Е.Огородниковым (1998) было изложен, что выход этанола из растительной биомассы зависит от концентрации фермента, активности отдельных компонентов целлюлозного комплекса, концентрации целлюлозы. Активность фермента в ферментативной среде не оказывает негативного влияния на накопление этанола и увеличение концентрации фермента, увеличивает выработку алкоголя. Существует много способов получения этилового спирта. Например, С. Хаяшида и другие (1983) отметили, что растительное сырье, содержащее лигноцеллюлозу, подвергается двухстадийному ферментативному гидролизу, а гексозная и пентозная фракции были вовлечены различные группы микроорганизмов. Гексозную фракцию ферментировали с использованием Saccharomyces cerevisiae, тогда как пентозную фракцию ферментировали в присутствии штаммов Pachysolen tonnophillus и Candida shenatal. Ферментацию проводили при 30°С, рН=4,8. На следующем этапе культивируемые жидкости смешивали, спирт перегоняли
и рециркулировали, и было доказано, что метод обеспечивает комплексную обработку целлюлозосодержащих субстратов.
Список литературы:
Kim B.H., Bac M., Lee Jong Y., Choi D.Y. Ethanol fermentation of cellylosic materials // Adw. Biotechnol. Proc. 6 th Intern.Ferment. Symp. London, 1981. - V. 2. - P. 143-148.
Almodares A, Hadi M.R. Production of bioethanol from sweet sorghum // African Journal of Agricultural Research. -2009. - no. 9. - P. 772-780.
Avgerinous O.S. Hydrolysis of xilan and fermentation of xylose to ethanol // Adv. Biotechnol. Proc. Int. Ferment. -1980. - V. 2. - P.119-124.
Moniruzzaman M. Saccharification and alcohol fermentation of steam-exploded rice straw //Int.Sugar J. - 2007. - № 118. - P. 517-518.
The Bio - Energy Council Report. Washington. - 1981. - P. 1432.
Hiloidhari M., Das D., Baruah D.C. Bioenergy potential from crop residue biomass in India // Renew Sustain Energy Rev. - 2014. - V.32. - P. 504-512.
Клеточная стенка древесины и её изменения при химическом воздействии / Бейнарт М.Н., Ведерников Н.А. -Рига: 1972. - 278 c.
Физиология растительной клетки / Саматова Л.С. -Л: - 1983. - 264 c. Природные органические макромолекулы / Йергенсонс Б. - М.: 1964. - 561 c. Химия древесины / Роговин З.А. - Л: 1972. - 240 c.
Жуков Н.А., Булдакова Н.Л., Грейманис А.Н. Конверсад растительного сырья при размоле в среде водяного
пара // Химия древесины. - 1988. - № 1. - C. 56-60.
Химия гемицеллюлоз / Шарков В.П., Куйбина Н.И. - М.: 1972. - 452 c.
Ranby B. Recent Progress on the structure and Morphology of Cellulose, in Cellulases and their Application // Washington. - 1969. - P. 343.
Qiulu Chu, Xin Li, Bin Ma, Yong Xu, Jia Ouyang, Junjun Zhu, Shiyuan Yu, Qiang Yong. Bioethanol production: An integrated process of low substrate loading hydrolysis-high sugars liquid fermentation and solid state fermentation of enzymatic hydrolysis residue // Bioresource Technology. - 2012. - V. 8. P. 699-702.
Taherzadeh M., Karimi K. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: a review // International Journal of Molecular Sciences. - 2008. - V.9. - P. 1621-1651.
Mullins J.T. Enzymatic hydrolysis and fermentation of corn for fuel alcohol // Biotechnol. and Bioeng. - 1985. - V. 27. - P. 321-326.
Биохимические основы микробиологического синтеза / Безбородов А.М. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 2004. - 317 с.
Bashir S., Lee S. Fuel ethanol production from agricultural lignocellulosic feedocts // Fuel Gci. and Technol. Int. -1994. - V. 12. - P.1427-1473.
Скворцов Е.В., Алимова Ф.К., Абузарова Д.М. Биосинтез ксиланаз аборигенными изолята Trichoderma // Ученые записки Казанского университета. Естественные науки. - 2014. - № 4 (161). - С. 251-255. Морозова Ю.А., Скворцов Е.В., Алимова Ф.К. Ксиланазы Trichoderma reesei - биосинтез и применение для гидролиза зерновых кормов // Ученые записки Казанского университета. Естественные науки. - 2013. - № 2 (155). - С. 127-137.
Огородников Т. Е., Борохова О. Э., Михайлова Н. П., Шаповалов О.И. Способ получения этанола из целлюлозного материала. Патент Россия № 2095415, 1998.
Hayashida S., Ahn B., Yashimo S. Fermantation of cellulose by a newly isolated thermophilic Clostridium // Journal Fac.Arg. Kyushu Univ. - 1983. - V. 27. - no 4. - P. 99-107.
