CC BY
140
УДК 579.66:547.94
Л. Х. Халимова (к.х.н., доц.), А. Н. Шакиров (асп.), А. Н. Скорняков (м.н.с.), Н. И. Петухова (к.биол. н., доц.), В. В. Зорин (д.х.н., проф., зав. каф., чл.-корр. АН РБ)
Исследование влияния предобработки древесных опилок глицерином на их ферментативный гидролиз
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра биохимии и технологии микробиологических производств 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431935, e-mail: [email protected]
L. Kh. Khalimova, A. N. Shakirov, A. N. Skornyakov, N. I. Petukhova, V. V. Zorin
Research of glycerol pretreatment of sawdust influence on its enzymatic hydrolysis
1 Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431935; e-mail: [email protected]
Установлено, что обработка древесных опилок 5—30 % водными растворами глицерина при температуре 121 0С и давлении 98 кПа позволяет уменьшить содержание лигнина в опилках на 24—34 %. Показано, что опилки, прошедшие стадию глицеросольволиза 6% раствором глицерина, подвержены более эффективному гидролизу с помощью ферментного препарата «Цел-лолюкс». При температуре 50 0С в 0.1 М ацетатном буфере (рН 4.8) выход редуцирующих веществ увеличивается до 10.3%, что в 3 раза превышает этот показатель в контрольном варианте. Осуществление глицеросольволиза опилок в присутствии щелочных катализаторов (1%-ные растворы ЫаНС03, ЫаОН) позволяет дополнительно увеличить выход редуцирующих сахаров на стадии ферментолиза до 16—26 %.
Ключевые слова: глицерин; лигноцеллюлоза; редуцирующие сахара; ферментолиз.
It is shown that the sawdust pretreatment by 5— 30 % glycerol aqueous solutions at 121 oC and 98 kPa allows reducing the lignin content in sawdust on 24—34 %. It is revealed that the sawdust undergone the glycerosolv by 6% glycerol aqueous solution are more feasible to enzymatic hydrolysis by enzymatic agent «Cellolux». The yield of reducing saccharides at 50 oC in 0,1 M acetic buffer (pH 4.8) increases up to 10.3% which is 3 times greater than the control value. Sawdust glycerosolv in presence of alkaline catalysts (1% solutions of NaHCO3, NaOH) allows additional increase of reducing saccharides on enzymatic hydrolysis stage up to 16—26 %.
Key words: glycerol; lignocelluloses; reducing saccharides; enzymatic hydrolysis.
Биоконверсия возобновляемой лигноцел-люлозной биомассы в биотопливо и практически важные продукты получила широкое развитие в разных странах. Лигноцеллюлозное сырье (сельскохозяйственные отходы и древесина) обладает большим потенциалом в качестве дешевого и возобновляемого сырья и состоит в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Эффективная утилизация всех трех компонентов играет важную роль для конкурентоспособности целлюлозного этанола — основного продукта переработки лигноцеллюлозы 1.
Для более полной конверсии целлюлозы необходимо увеличение ее поверхности и разрушение ее микрофибриллярной структуры, поэтому различные методы предобработки (механические, физические, химические, биоДата поступления 02.11.12
логические) играют важную роль в биодоступности целлюлозосодержащего сырья 1-3. Например, уменьшение содержания лигнина на одну треть для твердых пород древесин и на две трети для мягких повышает степень утилизации лигноцеллюлозных материалов до 60%. 3.
Проблема увеличения степени конверсии целлюлозы в растворимые сахара остается актуальной, так как многие способы предобработки невозможно применить в промышленных масштабах вследствие их высокой стоимости, токсичности реагентов или образования побочных продуктов.
Органосольвентная варка древесины является перспективным процессом делигнифи-кации лигноцеллюлозы 4. В то же время несомненный интерес представляет использование в качестве реагента для делигнификации глицерина, который в настоящее время, являясь
отходом производства биодизеля, становится более доступным и дешевым продуктом 5.
Целью данной работы являлось исследование влияния предобработки лигноцеллюлоз-ного сырья в ходе органосольветной варки глицерином на степень его биоконверсии с использованием ферментного препарата «Целло-люкс Б».
Исследование влияния глицерина на предобработку древесных опилок показало, что в ходе органосольвентной варки в автоклаве при температуре 121 оС и давлении 98 кПа в течение 30 мин происходит их делигнификация. Показано, что в области концентраций глицерина 5—30 % содержание лигнина в опилках уменьшается на 24—34 %, что в 7—10 раз больше, чем в контроле (рис. 1).
к к я й и к
50
40
30
20
10
5 10 20 Глицерин, %
30
10
и К
о «
I:
И
5 6 10 25 Глицерин,%
30
Рис. 2. Гидролиз опилок при 50 оС в 0.1М ацетатном буфере (рН 4.8) с помощью препарата «Целлолюкс» (5 г/л) после их органосольвентной варки водными растворами глицерина различной концентрации
о4
20-
10-
Рис. 1. Степень делигнификации опилок после орга-носольволиза водными растворами глицерина различной концентрации
Установлено, что последующий фермен-толиз предобработанных опилок, с помощью ферментного препарата «Целлолюкс Б» при температуре 50 оС в 0.1 М ацетатном буфере (рН 4.8) увеличивает выход редуцирующих веществ по сравнению с контрольным вариантом. Наиболее высокая конверсия субстрата была достигнута в процессе гидролиза опилок, предварительно подвергнутых варке в 6%-м растворе глицерина (рис. 2).
Показано, что глицеросольволиз опилок 6%-м раствором глицерина в присутствии щелочных катализаторов (1%-е растворы ЫаИС03, ЫаОИ) позволяет дополнительно увеличить конверсию субстрата на стадии ферментолиза в присутствии препарата «Целлолюкс» (рис. 3). Наиболее эффективным катализатором является 1%-й раствор ЫаИС03, использование которого приводит к увеличению конверсии опилок почти в 2.5 раза по сравнению с контролем (без катализатора).
без 1 % КаИСОЗ 1 % ШОИ катализатора
Рис. 3. Гидролиз опилок при 50 оС в 0.1М ацетатном буфере (рН 4.8) с помощью препарата «Целлолюкс Р» (5 г/л) после их органосольвентной варки 6%-м раствором глицерина в присутствии щелочных катализаторов
Таким образом, предложен метод интенсификации гидролиза лигноцеллюлозы с помощью ферментного препарата «Целлюлюкс Б», основанный на термохимической предобработке исходного сырья в присутствии 6%-го водного раствора глицерина, содержащего 1% ЫаИС03.
Материалы и методы
Работа выполнена с образцами воздушно-сухих опилок лиственных деревьев крупностью 1—2 мм.
Предобработку опилок проводили методом органосольветной варки с использованием
8
6
4
2
0
0
0
0
0
в качестве варочного агента глицерина с концентрацией от 0 до 30 %. Варку проводили в автоклаве при температуре 121 оС и давлении 98 кПа в течение 30 мин. Для интенсификации условий предобработки к глицерину добавляли щелочные катализаторы NaHCO3, NaOH, доводя их концентрацию в растворе глицерина до 1%-го содержания.
Подготовка образцов опилок для ферментативного гидролиза включала отделение опилок от гидролизатов, промывку водой, сушку при температуре 103 оС до постоянного веса.
Для ферментолиза использовали ферментный препарат «Целлолюкс F» (ПО «Сиббио-фарм» г. Бердск), обладающий комплексом целлюлаз активностью 2000 ед/г, ксиланаз — 600 ед/г 6
Ферментативный гидролиз опилок проводили (1% мас.) в оптимизированных условиях: температура — 50 оС, 0.1М ацетатный буфер (рН 4.8); концентрация ферментного препарата «Целлолюкс F» — 5 г/л.
Степень делигнификации опилок оценивали по остаточному лигнину в пересчете на АСМ сырья. Определение лигнина проводили по методу Класона в модификации Комарова 7.
Степень гидролиза целлюлозы (или биоконверсию) опилок оценивали в ферментоли-
затах по изменению концентрации редуцирующих веществ, отнесенных к массе опилок. Для определения концентрации образующихся при
гидролизе веществ использовали медно-щелоч-«-> 8 ной метод .
Литература
1. Гелес И. С. Древесное сырье — стратегическая основа и резерв цивилизации. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007.— 499 с.
2. Непенин Н.Н., Непенин Ю. Н.. Технология целлюлозы. Очистка, сушка и отбелка целлюлозы. Прочие способы производства целлюлозы.-Т.3- М: Экология, 1994.- 592 с.
3. Фенгел Л., Вегенер Г. Древесина, ультраструктура, реакции.- М: Лесная промышленность, 1988.- 512 с.
4. Непенин Ю. Н., Мялицына Л. О., Жалина В. А. Варка целлюлозы с различными органическими растворителями.- М.: ВИНИТИ.- 1984.-Вып. 8.- 40 с.
5. Y. Zheng, X. Chen, Y. Shen // Chem. Rev.-2008.- №108.-P. 5253.
6. Ресурсы сети INTERNET: http://sibbio-bel.by/production/5/4.
7. Оболенская А. В., Ельницкая З. П., Леонович А. А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы.- М.: Экология 1991- 320 с.
8. Хабаров Ю. Г., Камакина Н. Д., Вешняков В. А. // Известия вузов. Лесной журнал.- 2009.-№4.- С. 47.
