CC BY
103
УДК 661.72
О. Н. Григорьева, М. В. Харина ЭФФЕКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРЕДВАРИТЕЛЬНУЮ
ОБРАБОТКУ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТАНОЛА (ОБЗОР ЗАРУБЕЖНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ)
Ключевые слова: гидролиз, этанол, целлюлоза, лигнин, кристаллическая решетка.
Проводится обзор зарубежных статей, рассматривающих эффективные параметры, влияющие на предварительную обработку лигноцеллюлозы при производстве этанола, такие как степень кристалличности, доступность поверхности, а также содержание лигнина и гемицеллюлозы в сырье.
Key words: hydrolysis, ethanol, cellulose, lignin, crystal lattice.
A review of foreign articles which provides an effective parameters affecting the pretreatment of lignocelluloses processing in the production of ethanol, such as the degree of crystallinity, accessible surface, as well as the content of lignin and hemicellulose in the raw.
Интенсификация процессов переработки лигноцеллюлозных материалов является актуальной задачей, так как позволяет наиболее полно использовать возобновляемые ресурсы биомассы [1]. Эффективность ферментативного гидролиза лигноцеллюлозы зависит от ряда факторов и в значительной степени — от стабильности ферментов, роли ингибирующего влияния на них продуктов гидролиза, а также физико-химических свойств целлюлозсодержащего сырья.
Известно, что лигноцеллюлоза состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и некоторых неорганических веществ [2]. Целлюлозные цепи упаковываются водородными связями в так называемые «элементарные цепи и микрофибрилы» [3]. Фибриллы прикреплены друг к другу гемицеллюлозами, аморфными полимерами различных сахаров, а также другими полимерами, такими как пектин, и покрыты лигнином. Микрофибриллы часто соединяются в пучки или макрофибриллы [4]. Эта сложная структура делает целлюлозу устойчивой к биологической и химической обработке.
Доминирующими сахарами в гемицеллюлозе являются манноза в мягкой древесине и ксилоза в твердой древесине и сельскохозяйственных остатках [5-7]. Кроме того, эти гетерополимеры содержат галактозу, глюкозу, арабинозу, и небольшое количество рамнозы, глюкуроновой и галактуроновой кислоты. В отличие от целлюлозы, которая имеет крепкую кристаллическую структуру, гемицеллюлоза имеет случайную, аморфную, и разветвленную структуру с небольшой устойчивостью к гидролизу, и более легко гидролизуется кислотами на мономерные компоненты [2, 8, 9-11].
Лигнин является сложной молекулой, построенной из фенилпропановых единиц, связанных в трудноразрушаемую трехмерную структуру. Как правило, древесина мягких пород содержит больше лигнина, чем твердых, наибольшее содержание лигнина локализовано в сельскохозяйственных остатках. Лигнин является одним из основных препятствий использования лигноцеллюлозных материалов в процессе ферментации, так как он делает лигноцеллюлозу устойчивой к химическому и биологическому разложению.
Таким образом, физико-химические свойства, присущие натуральным
лигноцеллюлозным материалам делают их устойчивыми к ферментативному воздействию. Целью предварительной обработки является изменение этих свойств в целях подготовки материалов к ферментативному расщеплению. Эффективность того или иного способа предварительной обработки в значительной степени зависит от типа лигноцеллюлозы. Так, например, предварительная обработка коры тополя или кукурузного листа разбавленной
кислотой, является перспективной, но этот метод малоэффективен при обработке кукурузных стеблей [12,13].
Кристаллическая решетка целлюлозы, ее доступная площадь поверхности, связь с лигнином и гемицеллюлозой, степень полимеризации целлюлозы, и степень ацетилирования гемицеллюлозы являются основными факторами, которые отрицательно сказываются на темпах биологического разложения лигноцеллюлозы ферментами [14].
Микрофибриллы целлюлозы имеют как кристаллические так и аморфные области, их кристалличность определяется относительным количеством этих двух областей. Большая часть целлюлозы (около 2/3 от общего количества) находится в кристаллическом виде [15]. Было показано, что фермент целлюлаза легко гидролизует более доступную аморфную часть целлюлозы. Поэтому ожидается, что высоко-кристаллическая целлюлоза будет более устойчива к ферментативному гидролизу, и уменьшение кристалличности увеличивает разлагаемость лигноцеллюлозы [16].
Авторы работы [17] предварительно обрабатывали древесину твердых и мягких пород путем кислотного гидролиза, протекающего в мягких условиях, и определял распределение размера их пор. Было показано, что независимо от сырья, начальная скорость гидролиза, находится в линейной связи с объемом пор древесины, доступных для действия целлюлазы. В работе [18] показано, что степень кристалличности кукурузной соломы незначительно увеличилась с 43% до 60% за счет её делигнификации гидроксидом кальция, что было связанно с удалением аморфных компонентов (лигнина, гемицеллюлозы). Фан и соавторы [16] изучали влияние измельчения на шаровой мельнице на площадь поверхности и кристалличность целлюлозы. Они наблюдали увеличение кристалличности целлюлозы при уменьшении размера сырья при измельчении.
Исследования показали, что кристалличность является важным фактором при гидролизе лигноцеллюлозы. Однако, наличие лигнина и гемицеллюлоз, связанных с целлюлозой также оказывает значительное влияние на эффективность ферментативного гидролиза сырья.
Основная причина интенсификации ферментативного гидролиза путем удаления лигнина и гемицеллюлозы связана с увеличением площади доступной поверхности целлюлозы. Ферментативный гидролиз проходит в несколько этапов [14]: (I) адсорбция ферментов целлюлазы из жидкой фазы на поверхность целлюлозы (твердую фазу), (II) биодеградация целлюлозы на простые сахара, в основном целлобиозу и олигомеры, и (III) десорбция целлюлазы в жидкую фазу. Таким образом, это гетерогенная каталитическая реакция и прямой физический контакт между ферментами и целлюлозой является необходимым условием для ферментативного гидролиза. Как результат, площадь доступной поверхности в лигноцеллюлозном материале и степень ее взаимодействия с ферментами может играть ограничительную роль во время ферментативного гидролиза [16].
Лигноцеллюлозные материалы имеют два различных типа поверхности: внешнюю и внутреннюю. Площадь внешней поверхность связана с размером и формой частиц, в то время как площадь внутренней поверхности зависит от капиллярной структуры целлюлозных волокон. Как правило, сухие целлюлозные волокна имеют малый размер, от 15 до 40 цш, и, следовательно, они обладают значительной внешней удельной площадью поверхности, например, 0.6-1.6 м2/г. Однако, площадь внутренней поверхности сухих целлюлозных волокон меньше, чем площадь внешней поверхности. Разбухание лигноцеллюлозы от воды и полярных растворителей создает очень большую площадь внутренней поверхности [16]. Сушка волокна может привести к необратимому распаду и сокращению капиллярной поверхности и, таким образом, к сокращению площади доступной поверхности. Наличие воды оказывает значительное влияние на удельную площадь поверхности природной целлюлозы. Как известно, удельная поверхность растет с увлажнением. Известно, что вода увеличивает кристаллическую структуру целлюлозы благодаря повторной кристаллизации высоко аморфной целлюлозы.
Доступная площадь поверхности изменяется и во время ферментативного гидролиза. Скорость гидролиза, как правило, сначала очень высока, а затем уменьшается на более поздних этапах. Удельная площадь поверхности, или площадь доступной поверхности на грамм субстрата (м2/г), резко возрастает во время начальной стадии. Однако, было показано, что площадь поверхности целлюлозы не является основным ограничивающим фактором для гидролиза чистой целлюлозы [16]. Другими словами, замедление гидролиза на более поздних стадиях происходит не из-за отсутствия данной площади поверхности, а из-за сложности гидролиза кристаллической части целлюлозы. Таким образом, можно ожидать снижение скорости гидролиза после гидролиза аморфной целлюлозы [16].
Лигнин соединяет целлюлозу и гемицеллюлозу и отвечает за целостность, структурную жесткость, и предотвращение разбухания лигноцеллюлозы. Таким образом, содержание и распределение лигнина являются основными факторами, которые отвечают за устойчивость лигноцеллюлозных материалов ферментативному расщеплению путем ограничения доступности фермента. Таким образом, процессы делигнификации могут улучшить скорость и степень ферментативного гидролиза. Однако, в большинстве методов делигнификации, часть гемицеллюлозы также гидролизуется, и, следовательно, не только делигнификация, но и удаление гемицеллюлоз обуславливает положительный эффект [14]. Растворенный лигнин образующийся при, предварительной обработке лигноцеллюлозы, также является ингибитором для целлюлаз, ксиланаз и глюкозидаз. Различные целлюлазы, в зависимости от содержания лигнина, имеют разную склонность к ингибированию, в то время как ксиланазы и глюкозидазы зависят от наличия лигнина в растворе в меньшей степени [19].
Состав и распределение лигнина, возможно, являются такими же важными факторами, влияющими на ферментативный гидролиз, как и его концентрация. Некоторые виды деревьев мягких пород сложнее гидролизовать, по сравнению твердыми породами. Это может быть связано с типом лигнина, так как мягкие породы древесины в основном содержат гваяциловый лигнин, в то время как твердые породы содержат сочетание гваяцилового и сирингилового лигнина. Предполагается, что сирингиловый лигнин, в отличие от гваяцилового, ограничивает набухание волокон [20].
В некоторых исследованиях (например, [21]), ингибирующая роль лигнина связывается с его влиянием на набухание целлюлозы. С другой стороны, набухание может быть достигнуто и без удаления лигнина, и это не приводит к увеличению размера пор и степени гидролиза. Однако, было показано, что лигнин имеет
существенное влияние на ферментативный гидролиз, даже в тех случаях, когда он больше не препятствует разбуханию волокон. Причина повышения скорости гидролиза путем удаления лигнина может быть связана с лучшей доступностью поверхности для ферментов, за счет увеличения количества пор после его удаления.
Гемицеллюлоза является физическим барьером, который окружает целлюлозные волокна и может защитить целлюлозу от влияния ферментов. Существует много методов предварительной обработки, позволяющих удалить гемицеллюлозу и, следовательно, улучшить ферментативный гидролиз. Большинство из этих способов частично удаляют также и лигнин [14]. Доступность поверхности целлюлозы для влияния ферментов может зависеть от кристалличности целлюлозы, лигнина, и содержания гемицеллюлозы. Гемицеллюлоза может подвергаться ферментативному гидролизу при помощи гемицеллюлаз. Предварительная обработка разбавленными кислотами также удаляет гемицеллюлозу [22].
Таким образом, основными факторами, влияющими на предварительную обработку лингоцеллюлозы при производстве этанола являются степень кристалличности, доступность поверхности, а также содержание лигнина и гемицеллюлозы в сырье [23]. Анализ существующих параметров позволит осуществлять оптимизацию биотехнологических процессов ферментативной конверсии полисахаридов, прогнозировать их результаты, учесть количественный вклад каждого из факторов, влияющих на эффективность процесса и определить пути воздействия на них.
Литература
1. Мухачев, С. Г. Организация производства топливного спирта в Республике Татарстан / С. Г. Мухачев, И. С. Владимирова, Р. Т. Валеева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006. - №5. -С. 21-26.
2. Sjostrom, E. Wood chemistry: fundamentals and applications; Academic Press: San Diego, USA, 1993.
3. Ha, M.A.; Apperley, D.C.; Evans, B.W.; Huxham, I.M.; Jardine, W.G.; Vietor, R.J.; Reis, D.;
Vian, B.; Jarvis, M.C. Fine structure in cellulose microfibrils: NMR evidence from onion and quince. Plant J. 1998, 16, pp 183-190.
4. Delmer, D.P.; Amor, Y. Cellulose biosynthesis. Plant Cell 1995, pp 987-1000.
5. Persson, T.; Matusiak, M.; Zacchi, G.; Jonsson, A.-S. Extraction of hemicelluloses from process water from the production of masonite. Desalination 2006, pp 411-412.
6. Lavarack, B.P.; Giffin, G.J.; Rodman, D. The acid hydrolysis of sugarcane bagasse hemicelluloses to produce xylose, arabinose, glucose, and other products. Biomass Bioenerg. 2002, pp 367-380.
7. Emmel, A.; Mathias, A.L.; Wypych, F.; Ramos, L.P. Fractionation of Eucalyptus grandis chips by dilute acid- catalysed steam explosion. Bioresource Technol. 2003, pp 105-115.
8. Morohoshi, N. Chemical characterization of wood and its components. In Wood and cellulosic chemistry; Hon, D.N.S, Shiraishi, N., Eds.; Marcel Dekker, Inc.: New York, USA, 1991; pp. 331-392.
9. Ademark, P.; Varga, A.; Medve, J.; Harjunpaa, V.; Drakenberg, T.; Tjerneld, F.; Stalbrand,H.
Softwood hemicellulose-degrading enzymes from Aspergillus niger: purification and properties of a beta-
mannanase. J. Biotechnol. 1998, pp 199-210.
10. Mod, R.R.; Ory, R.L.; Morris, N.M.; Normand, F.L. Chemical properties and interactions ofrice hemicellulose with trace minerals in vitro. J. Agr. Food Chem. 1981, pp 449-454.
11. O'Dwyer M, H. The hemicelluloses of the wood of English oak: The composition and properties of hemicellulose A, isolated from samples of wood dried under various conditions. Biochem. J. 1934, pp 21162124.
12. Torget, R.; Himmel, M.E.; Grohmann, K. Dilute sulfuric acid pretreatment of hardwood bark. Bioresource Technol. 1991, pp 239-246.
© О. Н. Григорьева - ст. препод. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, [email protected]; М. В. Харина - асс. асп. каф. химической кибернетики КНИТУ, [email protected].
