МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ К БИОКОНВЕРСИИ В КОРМОВЫЕ ПРОДУКТЫ И БИОЭТАНОЛ

Валентина (Valentina) Ивановна (Ivanovna) Сушкова (Sushkova); Людмила (Ljudmila) Васильевна (Vasil'evna) Устюжанинова (Ustjuzhaninova); Оксана (Oksana) Валентиновна (Valentinovna) Березина (Berezina); Сергей (Sergej) Викторович (Viktorovich) Яроцкий (Jarockij)

doi:10.14258/jcprm.201601841

Валентина (Valentina) Ивановна (Ivanovna) Сушкова (Sushkova) Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов, 1-й Дорожный проезд, 1, Москва, 117545 Email: sushkovaval@mail.ru
Людмила (Ljudmila) Васильевна (Vasil'evna) Устюжанинова (Ustjuzhaninova) Вятский государственный университет, ул. Московская, 36, Киров, 610000 Email: ujilucy9i@gmail.com
Оксана (Oksana) Валентиновна (Valentinovna) Березина (Berezina) Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов, 1-й Дорожный проезд, 1, Москва, 117545 Email: mashchenko@yandex.ru
Сергей (Sergej) Викторович (Viktorovich) Яроцкий (Jarockij) Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов, 1-й Дорожный проезд, 1, Москва, 117545 Email: yarotsky@genetika.ru

https://doi.org/10.14258/jcprm.201601841

Ключевые слова: крахмалсодержащее сырье, зерноотходы, пентозан- и целлюлозосодержащее сырье, полисахариды, гемицеллюлозы, ге-мицеллюлозный гидролизат, лигноцеллюлозный остаток, ферментативный гидролиз, ферментный препарат, амилазная, целлюлазная, ксиланазная активности,

Аннотация

Представлен анализ литературных данных следующих способов предобработки крахмал-, пентозан- и целлюлозосодержащего растительного сырья к ферментативному гидролизу (ФГ) полисахаридов (ПС): гидротермических, органосольвентных с получением технической целлюлозы, органосольвентных с серной кислотой, кислотно-катализированных с паровым взрывом, щелочных, бисульфитного (SPORL) и кислотно-каталитического с использованием дисковой мельницы.

На основании анализа даны рекомендации по совершенствованию технологической схемы получения кормовых белковых продуктов из отрубей совместно с другими зерноотходами. Технологическая схема должна включать дополнительный процесс тонкого измельчения отрубей и зерноотходов и гидротермодинамическую обработку (ГТДО) при следующем технологическом режиме: а.с.в. не менее 15%; 86–100 °С, время выдержки при этой температуре не более 1 ч с термостабильным ферментным препаратом, содержащим α-амилазу (Зимаджунт 340С*, или Амилаза НТ-4000, или Амилекс 4Т). Эффективность последующего ФГ частично гидролизованного крахмала и некрахмалистых полисахаридов крахмалсодержащего сырья обеспечивает следующий комплекс ферментных препаратов: глюковамарин, GC 220, обладающий целлюлазной, целлобиазной, ксиланазной и β-глюканазной активностями и Novozymes 188, содержащий целлобиазу.

Подтверждены данные по наиболее эффективным методам предподготовки пентозан- и целлюлозосодержащего растительного сырья к ферментативному гидролизу целлюлозы в 2% суспензии лигноцеллюлозного остатка, позволяющими получить общий выход сахаров и выход этанола не менее 90% от теоретического, как с делигнификацией, так и без отделения лигнина. Перспективными из них можно считать следующие: органосольвентный с H₂SO_4, паровой взрыв с SO₂ и последующей промывкой экструдированной биомассы водой и окислительно-щелочным раствором и механохимические: бисульфитный (SPORL) и кислотно-каталитический с использованием установок горячего размола (УГР). Установлено, что в первых двух способах допускается содержание лигнина в лигноцеллюлозном остатке до 16–18%, а в третьем до 30%. Кислотно-каталитический метод гидролиза с элементами технологии SPORL с использованием установок горячего размола (УГР) рекомендован к лабораторным и опытно-промышленным испытаниям в гидролизной промышленности России.

Эффективность ФГ целлюлозы из лигноцеллюлозного остатка обеспечивают следующие комплексы ферментных препаратов: Сelluclast (20 FPU/г глюкана), и Novozyme188 (соотношение β-глюкозидазы к целлюлазе 1,75–2,0 : 1) или Spezyme CP, GC-220 (15 FPU/г глюкана), Multifect Xylanase (соотношение β-глюкозидазы к целлюлазе 2,0 : 1).

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Metrics

Загрузка метрик ...

Биографии авторов

Валентина (Valentina) Ивановна (Ivanovna) Сушкова (Sushkova), Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов, 1-й Дорожный проезд, 1, Москва, 117545

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник

Людмила (Ljudmila) Васильевна (Vasil'evna) Устюжанинова (Ustjuzhaninova), Вятский государственный университет, ул. Московская, 36, Киров, 610000

инженер

Оксана (Oksana) Валентиновна (Valentinovna) Березина (Berezina), Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов, 1-й Дорожный проезд, 1, Москва, 117545

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Сергей (Sergej) Викторович (Viktorovich) Яроцкий (Jarockij), Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов, 1-й Дорожный проезд, 1, Москва, 117545

доктор биологических наук, заведующий лабораторией

Литература

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.