METHODS OF PREPARING PLANT RAW MATERIAL FOR BIOCONVERSION IN FEED PRODUCTS AND ETHA-NOL
Abstract
An analysis of literature data the following preprocessing methods starch, pentosane- and cellulosic feedstock for enzymatic hydrolysis polysaccharides: hydrothermal, organosolvent obtaining technical cellulose, organosolvent with sulfuric acid, acid-catalyzed steam explosion, alkali, bisulfite (SPORL) and acid-catalyzed using a disk mill is presented.
Recommendations about improvement of technological schemes of obtaining fodder protein products of bran together with other grain waste are provided. Technological scheme should include additional process fine grinding of bran and grain waste and hydro-thermodynamic treatment (HTDO) at the next technological mode: a.d.s ≥ 15%; t = 86–100 °C; processing time ≤ 1 h; using a thermostable α-amylase (Zymajunt-340С* or Amylase HT-4000 or Amileks 4T). The effectiveness of a subsequent enzymatic hydrolysis of partially decomposed starch and non-starch polysaccharides of starchy raw material is ensured by the enzymatic Начало формыКонец формыcomplex including Glucoamylase, GC 220, containing cellulase, cellobiase, xylanase and β-glucanase activities, and Novozymes 188, containing cellobiase.
The most effective methods for preprocessing of pentosan - and cellulosic feedstock to enzymatic hydrolysis of cellulose in a 2% suspension of lignocellulosic residue are allow obtained an overall yield of sugars and ethanol at least 90% of the theoretical. The following preprocessing methods are considered to be as the most promising: organosolvent with H2SO4 and steam explosion with SO2 and the subsequent washing of the extruded biomass with water and oxidation-alkaline solution and mechanochemical: bisulfite (SPORL) and acid catalysis units with installation of hot grinding (IHG). It is established, that in the first two methods allowed the lignin content in the lignocellulose is to 16-18%, and the third up to 30%. Acid-catalyzed hydrolysis method with elements of SPORL technology with the use of installation hot grinding (IHG) is recommended for laboratory and experimental-industrial tests in the hydrolysis industry.
Cellulose from lignocellulosic residue is efficiently hydrolysed by Сelluclast (20 FPU/g glucan), and Novozyme 188 (β-glucosidase : cellulase 1,75–2,0 : 1) or Spezyme CP, GC-220 (15 FPU/g glucan), Multifect Xylanase (β-glucosidase:cellulase 2,0 : 1).
Downloads
Metrics
References
Яроцкий С.В., Сушкова В.И., Синеокий С.П., Лукина Г.П. Экономический анализ производства биобутанола и перспективы его развития. М. Деп. в ВИНИТИ 10.04.2008, №308. 65 c.
Сушкова В.И., Воробьева Г.И. Безотходная конверсия растительного сырья в биологически активные веще-ства. М., 2008. 215 с.
Сушкова В.И., Устюжанинова Л.В. Методы подготовки отходов производств лесопиления и деревообработки к биоконверсии в биорастворители. М. Деп. в ВИНИТИ 1.08.2013, №228-В2013. 95 c.
Сушкова В.И., Устюжанинова Л.В. Ферментативный гидролиз отходов от переработки растительного сырья // Общество, наука, инновации (НТК-2011): материалы Всероссийской научно-технической конференция. Киров, 2014. С. 20–23.
Шарков В.И., Сапотницкий С.А., Дмитриева О.А., Туманов И.Ф. Технология гидролизных производств. М., 1973. 408 с.
Шарков В.И., Куйбина Н.И. Химия гемицеллюлоз. М., 1972. 440 с.
Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. М., 1989. 496 с.
Сушкова В.И., Устюжанинова Л.В. Биоконверсия биомассы кукурузной кочерыжки с ферментными препара-тами // Общество, наука, инновации (НТК-2011): материалы Всероссийской научно-технической конференция. Киров, 2012. С. 16–17.
Лихтенберг Л.А. Производство спирта из зерна. Приготовление замеса и его обработка // Пищевая промышлен-ность. 1997. №3. С. 22–25.
Сушкова В.И. Процесс ферментации. Биореакторы. Практикум к курсовому и дипломному проектированию. Учебное пособие. Киров, 2006. 63 с.
Устюжанинова Л.В., Сушкова В.И. Получение кормовых пробиотиков на основе ферментолизата отрубей // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья. Барнаул, 2012. С. 523–524.
Патент №2478701 (РФ). Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae, обладающий амилазной активностью для получения кормового белкового продукта, и способ производства кормового белкового продукта / Г.И. Воро-бьева, А.Е. Сычев, А.И. Заикина, Р.А. Рогачева, Г.В. Чалков / 2013.
Патент №215287 (РФ). Способ получения белковой кормовой добавки / А.Ю. Винаров, А.И. Заикина, А.П. Захарычев, Т.Е. Сидоренко, Ю.В. Ковальский, Р.А. Рогачева, Л.В. Зорина / 2000.
Синицын А.П., Гусаков А.В., Черноглазов В.М. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. М., 1995. 220 с.
Дедков В.Н. Разработка биотехнологии кормового белка из растительного сырья : дис. … канд. техн. наук. Во-ронеж, 2014. 23 с.
Guoce Yu., Shinichi Yano, Hiroyuki Inoue, Seiichi Inoue, Takashi Endo, Shigeki Sawayama. Pretreatment of Rice Straw by a Hot-Compressed Water Process for Enzymatic Hydrolysis // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2010. Vol. 160. N2. Pp. 539–551.
Weil J.R., Sarikaya A., Rau Sh-L., Goetz J., Ladisch Ch.M., Brewer M., Hendrickson R., Ladisch M.R. Pretreatment of corn fiber by pressure cooking in water // Applied Biochemistry and Biotechnology. 1998. Vol. 73. N1. Pp. 1–17.
Lei H., Cybulska I., Julson J. Hydrothermal Pretreatment of Lignocellulosic Biomass and Kinetics // Journal of Sustain-able Bioenergy Systems. 2013. Vol. 3. N4. Рp. 250–259.
Harmsen P.F.H., Huijgen W.J.J., López L.M. Bermudez. Literature Review of Physical and Chemical Pretreatment Pro-cesses for Lignocellulosic Biomass. Preface. ECN-E--10-013. 2010. (Netherlands). [Электронный ресурс]. URL: http://www.ecn.nl/docs/library/report/2010/e10013.pdf
Воробьева Г.И., Заикина А.И., Сычев А.Е. и др. Биокатализ растительных отходов путем ферментолиза и вы-ращивания смешанной культуры микроорганизмов для получения кормовых белковых продуктов // Перспек-тивные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов : сборник научных трудов. М., 2014. С. 323–332.
Синицын А.П., Попов В.О., Синицына О.А., Рожкова А.М., Федорова Е.А., Морозова В.В., Зоров И.Н., Гуса-ков А.В., Семенова М.В., Кондратьева Е.Г., Саттрутдинов А.Л., Короткова О.Г., Осипов Д.О., Беккаре-вич А.О., Матыс В.Ю., Бубнова Т.В., Кошелев А.В., Окунев О.Н Высокоэффективный комплекс целлюлаз Penicillium для осахаривания лигноцеллюлозной биомассы. [Электронный ресурс]. URL: http://biorosinfo.ru/Vcongress/Sinizin.pdf
Морозов Э.А., Рязанова Т.В., Еременко О.Н. Влияние размола на полисахаридный комплекс древесины // Мо-лодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. научн. тр. Владикавказ, 2010. Т. 2. С. 39–43.
Zang Meng, Song Xiiaoxu, Deines T.W., Pei Z.J., Wang Donghai. Biofuel manufacturing from woody biomass: effects of sieve size used in biomass size reduction // Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2012. Vol. 2012. 9 p.
Жуков Н.А. Теоретические основы и технологические принципы непрерывной конверсии растительного сырья: автореф. дис. … д-ра техн. наук. Киров, 2001. 45 с.
Zhu J.Y. SPORL technology platform for biofuel production from woody biomass: An Update // Tappi IBBC. 2011. 28 p.
Zhu J.Y., Wang G.S., Pan X.J., and et. al. Specific surface to evaluate the efficiencies of milling and pretreatment of wood for enzymatic saccharification // Chemical Engineering Science. 2009. Vol. 64. N3. Рр. 474–485.
Голязимова О.В. Механическая активация ферментативного гидролиза целлюлозы и лигноцеллюлозных мате-риалов : автореф. дис. … канд. хим. наук. Новосибирск, 2010. 20 с.
Iakovlev M., Pääkkönen T., van Heiningen A. Article in press – uncorrected proof. Kinetics of SO2-ethanol-water pulp-ing of spruce // Holzforschung. 2009. Vol. 63. pp. 779–784.
Гермер Э.И. Химизм и катализ кислородно-щелочной делигнификации : дис. ... д-ра хим. наук. СПб, 1999. 287 с.
Сажин А.А. Исследование физико-химических процессов делигнификации древесины в системе этанол – вода – уксусная кислота и пролучение материалов на основе органосольвентных полуфабрикатов : дис. … канд. техн. наук. Йошкар-Ола, 2004. 20 с.
Stockburger Pad. An overview of near-commercial and commercial solvent-based pulplng processes // Tappi Journal. 1993. Vol. 76. N6. Рp. 70–74.
Engvist E. Ivpregnation, vapor phase and methanol as means of intensivying the softwood kraft pulping process: diss. … doct. of science. Helsinki, Espoo. 2006.
Фам Ван Коонг. Натронная варка древесины сосны в системе изобутиловый спирт – вода : автореф. дис. … канд. техн. наук. Архангельск, 1995. 18 с.
Patent 4767500 (US). Sulfite cooking methanol for the production of cellulose from materials containing lignocellulose with recovery of the cooking chemicals / Rufolf Patt, Reinbek, Othar Kordsachia, Ostseinbek / 1988.
Black N.P. ASAM alkaline sulfite pulping process shows potential for large scale application // Tappi Journal. 1991. Vol. 74. N4. Рp. 129–132.
Патент №2135665 (РФ). Способ получения целлюлозной массы / Х.-Л. Шуберт, М. Миридит, М.Х. Зиннер, О. Кордзахиа / 1999.
Pan X.J., Arato C., Gilkes N., Gregg David, Mabee Warren, Pye Kendall, Xiao Zhizhuang, Zhang Xiao, Saddler John. Biorefining of softwoods using ethanol organosolv pulping: preliminary evalution of pricess streams for manufacture of fuel-grade ethanol and co-products // Biotechnology and Bioengineering. 2005. Vol. 90. N4. Pp. 473–481.
Белуза Я.М. Деструкция целлюлозосодержащих материалов при воздействии сдвиговых деформаций и высоко-го давления и технология кормовых добавок : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1987. 19 с.
Мackie K.L., Brownell H.H., West K.L., Saddler N. Effect of sulfur dioxide and sulfuric acid on steam explosion of as-pen wood // Journal of Сhemistry and Technology. 1985. N5(3). Pp. 405–425.
Wyman C.E., Date D.E., Elander R.T. Comparative sugar recovery and fermentation data following pretreatment of pop-lar wood by leading technologies // Biotechnology Progress. 2009. Vol. 25. Pp. 333–339.
Galbe M.,·Zacchi G. A review of the production of ethanol from softwood // Appl Microbiol Biotechnol. 2002. Vol. 59. Pp. 618–628.
Mabee W.E., Grecc D.J., Arato C., Berlin A., Bura R., Gilkes N., Mirochnik O., Pan X., Pye E.K., Saddler J.N. Up-dates on Softwood-to-Ethanol Process Development // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2006. Vol. 129. N1-3. Pp. 55–70.
Yang B., Boussaid A., Mansfield S.D., Gregg D.J., Saddler J.N. Fast and efficient Alkaline Peroxide Treatment to en-chance the Ensimatic digestibility of steam-exploded softwood substrates // Biotechnology and Bioengineering. 2002. Vol. 77. Рр. 678–684.
Wayman M., Parekh S., Chornet E. SO2 – catalyzed prehydrolysis coniferous wood for etanol production // Biotechnol-ogy Letters. 1986. Vol. 8. N10. Рр. 749–752.
Ewanick S.M., Bura R., Saddler J.N. Acid-catalyzed steam pretreatment of lodgepole pine and subsequent enzymatic hydrolysis and fermentation to ethanol // Biotechnology and Bioengineering. 2007. Vol. 98. N4. Pp. 737–746.
Ewanick S.M. Bioconversion of mountain pine beetle-killed lodgepole pine to ethanol. A thesis submitted in partial ful-fillment of the requirements for the degree of master of science. 2006. 128 p.
Clark T.A., Vackie K.L. Steam explosion of softwood Pinus Radiata with Sulphur Dioxide addition. 1. Pricess optimi-zation // Journal of Wood Chemistry and Technology. 1987. Vol. 7. N3. Рр. 373–403.
Boussaid A, Robinson J, Cai Yj and et. al. Fermentability of the hemicellulose-derived sugars from steam-exploded softwood (douglas fir) // Biotechnol Bioeng. 1999. Vol. 5. N64(3). Pp. 284–289.
Boussaid A, Cai Y, Robinson J., Cai Y.J., Gregg D.J., Saddler J.N. Sugar recovery and fermentability of hemicellulose hydrolysates from steam-exploded softwoods containing bark // Biotechnology Progress. 2001. Vol. 17. N5. Pp. 887–892.
Zhu J.Y., Pan X.J. Woody biomass pretreatment for cellulosic ethanol production: Technology and energy consumption evaluation // Bioresource Technology. 2010. Vol. 101. Pp. 4992–5002.
Патент № 64225 (Украина). Мобильная поточная линия гранулирования отходов / М.В. Коломийченко, А.М. Сисоев / 2011.
Bura R., Mansfield S.D., Saddler J.N., Bothast R.J. SO2 – catalyzed steam explosion of corn fiber for ethanol produc-tion // Appl Biochem Biotechnol. 2002. Vol. 98-100. Pp. 59–72.
Jin-Suk Lee, Binod Parameswaran, Lee Joon-Pyo, Park Soon-Chul. Recent developments of key technologies on cellu-losic ethanol production // Journal of scientific & Industrial Rescarch. 2008. Vol. 67. Рp. 865–873.
Carvalheiro F., Duarte L.C., Grio F.M. Hemicellulose biorefineries: a review on biomass pretreatments// Journal of Sci-entific & Industrial Receach. 2008. Vol. 67. Pp. 849–864.
Zahoor, Yuanyuan Tu. Pretreatments to enhance the digestibility of wheat straw // International Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2014. Vol. 3. N1. Pp. 26–34.
Galbe M., Zacch G.Pretreatment of Lignocellulosic materials for efficient bioethanol production // Advances in Bio-chemical Engineering Biotechnology. 2007. Vol. 108. Pp. 41–65.
Brodeur Gary, Yau Elizabeth, Badal Kimberly, Collier John, Ramachandran K.B., Ramakrishnan Subramanian. Chemi-cal and physicochemical pretreatment of lignocellulosic biomass: A Review // Enzyme Research. 2011. Vol. 2011. 17 p.
Zhu J.Y., Zhuang X.S. Conceptual net energy output for biofuel production from lignocellulosic niomass through biore-fining // Progress in Energy and Combusion Science. 2012. N38. Pp. 583–598.
Runcang, Lawther J.M., Banks W.B. Influence of alkaline pretreatments on the cell wall components of wheat straw // Industrial Crops and Products. 1995. Vol. 4. N2. Pp. 127–145.
Xuejun Pan, Xiao Zhang, David J. Gregg. Enhanced enzymatic hydrolysis of steam-exploded douglas fir wood by alka-li-oxygen post-treatment // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2004. Vol. 115. N1-3. Pp. 1103–1114.
Бебякова М.В., Киселева З.Л., Козлов Ю.П., Финкельштейн Б.Л., Чеховская В.Б. Применение щелочных и окислительно-щелочных обработок древесины сосны и березы для повышения эффективности ферментативно-го гидролиза полисахаридов // Химия древесины. 1989. №6. С. 84–88.
Wang Yang, Liu Shijie. Pretreament technologies for biological and chemical conversion of woody biomass // Tappy Journal. 2012. Vol. 11. N1. Рp. 9-15.
Lan T.Q., Gleisner Roland, Zhu J.Y., Duen S.B., Hector R.E. High titer ethanol production from SPORL-pretreated lodgepole pine by simultaneous enzymatic sacharification and combined fermentation // Bioresource Technology. 2013. Vol. 127. Pp. 291–297.
Pan Xuejun, Zhu Junyong. An update on sulfite pretreament of lignocellulosic biomass for effective production of cellu-lose ethanol // Proceeding of the 16 ISWFPC. Tianjin, 2011. Pp. 968–972. http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/pdf2011/fpl_2011_pan001.pdf
Жуков Н.А., Синицын А.П., Быков В.А. и др. О повышении реакционной способности растительного сырья к ферментативному воздействию // Превращения древесины при энзиматическом и микробиологическом воздей-ствиях: сб. научн. тр. Рига, 1985. С. 73–79.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
The authors, which are published in this journal, agree to the following conditions:
1. Authors retain the copyright to the work and transfer to the journal the right of the first publication along with the work, at the same time licensing it under the terms of the Creative Commons Attribution License, which allows others to distribute this work with the obligatory indication of the authorship of this work and a link to the original publication in this journal .
2. The authors retain the right to enter into separate, additional contractual agreements for the non-exclusive distribution of the version of the work published by this journal (for example, to place it in the university depository or to publish it in a book), with reference to the original publication in this journal.
3. Authors are allowed to post their work on the Internet (for example, in a university repository or on their personal website) before and during the review process of this journal, as this may lead to a productive discussion, as well as more links to this published work.
