Содержание
В связи с прогрессирующим дефицитом ископаемых топлив в настоящее время возник ряд проблем, связанных с поиском и технологическим освоением новых источников энергии, получаемых из возобновляемого сырья, к которым относится биоэтанол.
Сегодня объем мирового рынка этанола оценивается в 50 млрд. л/год, из которых около 60% используется как добавка к моторному топливу.
В последние годы процесс получения биоэтанола предполагает использование возобновляемого целлюлозосодержащего сырья (ЦСС) с последующей его конверсией в целевой продукт [1-2].
Одной из проблем использования ЦСС для получения биотоплива является присутствие в этих источниках возобновляемой биомассы природных ингибиторов, останавливающих эффективное функционирование клеток [3].
Описание предметной области изысканий
Возникает необходимость преодолении этого ингибирующего воздействии на используемые продуценты биоэтанола.
В свете этого актуальной является разработка и применение гетерогенных биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток (ИК), обладающих повышенной резистентностью к воздействию негативных факторов [4].
Усовершенствованием организации процесса получения биоэтанола является применение продуцентов, способных осуществлять конверсию:
- Гексоз.
- Пентоз.
Данные процессы позволяют получить целевой продукт.
Генно-модифицированные штаммы микроорганизмов, на получение которых было направленно большое количество научных проектов с целью получения такого рода продуцентов, не востребованы производством.
Невостребованность производством данного решения связано с:
- Необходимостью введения индукторов в среды для биосинтеза необходимых ферментов, антибиотиков для подавления аборигенной микрофлоры.
- Требуется решение вопросов по утилизации биомассы генно-модифицированных клеток.
В связи с этим огромен интерес к природным штаммам-продуцентам, чьё применение в этой области биотехнологии становится очень актуальным.
В качестве таких клеток могут применяться природные (генетически немодифицированные) штаммы мицелиальных грибов родов:
- Mucor.
- Rhizopus.
- Fuzarium.
- Aspergillus.
Данные штаммы способны осуществлять конверсию различных сахаров, в том числе и пентоз (ксилозы и арабинозы), в этанол [5-6].
Таким образом, данная работа была направлена на реализацию процесса получения биоэтанола из различных ферментативных гидролизатов целлюлозосодержащего сырья под действием биокатализаторов в виде иммобилизованных клеток мицелиальных грибов и дрожжей.
В работе в качестве продуцента этанола использовались:
- Клетки мицелиального гриба Mucor circinelloides F 1627.
- Клетки термотолерантных дрожжей Saccharomyces cerevisiae Т2.
Иммобилизацию клеток мицелиальных грибов и дрожжей в криогель поливинилового спирта проводилась согласно ранее разработанным способам, соответствующим разным типам клеток [7- 8].
Ферментативный гидролиз ЦСС осуществлялся комплексом целлюлаз, включающим:
- Эндоглюканазу.
- Экзоглюканазу.
- β-глюкозидазу.
Данный процесс происходит с секретируемым иммобилизованными клетками мицелиального гриба Aspergillus terreus, в течение 24-48 ч при 50°С.
Гидролизаты содержали 0,2 г/л ампициллина и были приготовлены на основе 0,1 М натрий ацетатного буфера, pH -5,0.
Результаты исследований
Концентрация сахаров в различных средах определялась методом жидкостной хроматографии высокого давления (хроматограф Agilend 1100 с амперометрическим детектором, США), с применением анионообменного носителя Dionex Сагbopak РА-20.
Исследования проводятся при следующих условиях:
- В качестве газа-носителя использовался азот.
- Раствор 7,5 мМ NaOH применялся в качестве элюента.
- Температура термостата-колонок была 190°С, детектора и испарителя по 240 и 260°С, соответственно.
- Концентрация этанола определялась методом газовой хроматографии на хроматографе «Кристалюкс 4000 М» с пламенно-ионизационным детектором (ПИД).
Изучалась возможность конверсии глюкозы, содержащейся в различных отходах промышленности и сельского хозяйства после их ферментативной обработки, для получения этанола ИК термотолерантных дрожжей.
Результаты приведены в таблице 1:
На основании исследований получены следующие результаты:
- Было показано, что во всех протестированных образцах ферментализатов ЦСС, разработанный биокатализатор в виде ИК термотолерантных дрожжей успешно функционировал, обеспечивая выход целевого продукта, превышающий 80%.
- Максимальная концентрация этанола (21,5 г/л) была получена в пробах при использовании в качестве субстрата ферментативного гидролизата сосновых опилок.
- При этом выход этанола от теоретически возможного уровня составит 85 %.
- Максимальный выход этанола был в случае использования в качестве субстрата гидролизата пшеничной соломы (92,0 %), это означало, что практически вся глюкоза была конвертирована непосредственно в целевой продукт.
Как и в случае с ИК дрожжей, для биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток мицелиального гриба были проведены исследования по конверсии ферментализатов различного ЦСС в этанол.
Результаты экспериментов приведены в таблице 2:
В качестве контроля эффективности функционирования ИК использовались нативные клетки мицелиального гриба М. circinelloides.
Следует отметить, что в полученных ферментализатах ЦСС помимо глюкозы содержались ксилоза и арабиноза, поэтому выход этанола рассчитывался исходя из концентрации всех восстанавливающих сахаров (ВС), содержащихся в ферментативных гидролизатах ЦСС.
Сравнительный анализ эффективности функционирования свободных клеток и биокатализатора на основе ИК мицелиального гриба М. circinelloides в процессе получения этанола показал, что концентрация накапливающегося целевого продукта при использовании ИК за один и тот же период времени в 1,2 — 2,2 раза согласно таблице 2, чем у свободных.
Таким образом, была показана высокая эффективность получения биоэтанола из разнообразных отходов промышленности и сельского хозяйства с использованием биокатализаторов на основе клеток дрожжей и мицелиальных грибов, иммобилизованных в криогель ПВС.
Список литературы
- Production of liquid biofuels from renewable resources /Nigam P.S., Singh A. // Progr Energ Combust Sci, 2011. — V. 37. — P. 52-68.
- Balat M. Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: a review // Energ Convers Manag, 2011. — V. 52. — P. 858-875.
- Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. II. inhibitors and mechanisms of inhibition / Palmqvist E., Hahn-Hagerdal B. // Bioresour Technol, 2000. — V.74. — P. 25-33.
- Биокатализаторы на основе иммобилизованных клеток микроорганизмов в процессах получения биоэтанола и биобутанола. / Ефременко Е.Н. [и другие] // Катализ в промышленности, 2010 год, Т.5, страницы 70-76.
- Performance of Rhizopus, Rhizomucor and Mucor in ethanol production from glucose, xylose, and wood hydrolyzates / Millati R., Edebo L., Taherzadeh M.J. //Enz Microb Technol, 2005. -V.36. — P. 294-300.
- Ethanol production from hexoses, pentoses, and dilute-acid hydrolyzate by Mucor indicus / Sues A. [et al] // FEMS, 2005.-V.5. — P. 669-676.
- Иммобилизованный биокатализатор, способ его получения и способ получения молочной кислоты с использованием этого биокатализатора / Ефременко Е.Н. [и другие] // Патент РФ на изобретение № 2253677, 2002 год.
- Способ получения иммобилизованного биокатализатора и биокатализатор для производства спиртосодержащих напитков. // Ефременко Е.Н. [и другие]. // Патент РФ на изобретение № 2322499, 2008.
- Проект Технопарка в городе Прокопьевске.
Источник: Трансформация возобновляемых источников энергии в виде целлюлозосодержащих отходов в биоэтанол / Н.А. Степанов, О.В. Сенько, Е.Н. Ефременко // Вестник КузГТУ, 2013 год, №1, страницы 109-111.
