Влияние физико-механических факторов на эффективность гидролиза сахаров и интенсивность сбраживания крахмалистого и лигноцеллюлозного сырья

• Автор: Захаркин, Денис Олегович
• Шифр специальности: 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Саранск
• Количество страниц: 166 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1. ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА БРОЖЕНИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫХ В НЕМ МИКРООРГАНИЗМОВ И Ь
МАТЕРИАЛОВ
1.1. Характеристика и особенности гидролиза полисахаридов целлюлозо- и 8 крахмалосодержащего сырья

1.1.1. Крахмалсодержащее сырье

1.1.2. Лигноцеллюлозное сырье и отходы сельскохозяйственного производства

1.2. Ферменты и ферментные комплексы для гидролиза природных 16 полисахаридов

1.2.1. Амилазы

1.2.2. Целлюлазы
1.3. Характеристика микроорганизмов, используемых для сбраживания растительного сырья
1.3.1. Дрожжи
1.3.2. Бактерии, используемые для производства спирта
1.4. Особенности сбраживания растительного сырья
1.4.1. Классическая технология сбраживания 3
1.4.2. Химизм брожения
1.4.3. Новые направления в бродильных технологиях
Глава 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Объект исследования
2.2. Реактивы, субстраты и материалы
2.3. Постановка эксперимента
2.4. Методы исследования
2.5. Математическая и статистическая обработка результатов 68 Глава 3. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ПРЕДОБРАБОТКИ
КРАХМАЛИСТОГО СЫРЬЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕГО ФЕРМЕНТАТИВНОГО 69 ГИДРОЛИЗА
3.1. Влияние продолжительности физико-механической обработки зернового сырья на эффективность его измельчения и распределение частиц по размерам в 69 ультрадисперсной фракции

3.2. Влияние продолжительности механико-ферментативной обработки зернового сырья на эффективность его гидролиза мезофильными 77 мультиэнзимными препаратами
3.3. Влияние продолжительности механико-ферментативного воздействия и условий обработки зернового сырья на эффективность его гидролиза 85 термостабильными мультиэнзимньми препаратами
Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ПРЕДОБРАБОТКИ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО СУБСТРАТА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕГО
ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА
4.1. Влияние продолжительности физико-механической обработки лигноцеллюлозного сырья на эффективность его измельчения и распределение 90 частиц по размерам в ультрадисперсной фракции
4.2. Влияние продолжительности механико-ферментативной обработки и способа предобработки лигноцеллюлозного сырья на эффективность его 94 гидролиза мезофильными мультиэнзимными препаратами
Глава 5. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ СБРАЖИВАНИЯ ОСАХАРЕННОГО
ЗЕРНОВОГО И ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОГО СУБСТРАТОВ
5.1. Изучение динамики и эффективности сбраживания зернового субстрата
5.2. Изучение эффективности сбраживания лигноцеллюлозного субстрата
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
ПриложениеД
Приложение Е
Приложение Ж
Приложение 3
Приложение И
Приложение К

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Растительная биомасса представляет потенциальный интерес как дешевый возобновляемый источник сырья для получения этанола (Хвалин И. В. и др. Производство биоэтанола - одно из направлений в комплексном использовании лесных ресурсов // Строит, и дорожные машины. 2006. № 11. С. 18-19; Maryana R., Wahono S. Кг. Production and purification of bioethanol from molasses and cassava international workshop on advanced material // New and Renewable Energy. 2009. Vol. 1. P. 174-178). Существующая на сегодняшний день классическая схема производства этилового спирта из крахмалистого сырья характеризуется рядом продолжительных ресурсо- и энергоемких стадий. Это связанно с необходимостью перевода крахмала в растворимое и доступное для действия ферментов состояние (Яровенко В. JI., Маринченко В. А., Смирнов В. А. Технология спирта. М. : Колос-Пресс, 2002. 464 с; Ковалевский К. А. Технология бродильных производств : учеб. пособие. Киев : ИНКОС, 2006. 367 с; Bai F. W., Anderson W. A., Moo-Young M. Ethanol fermentation technologies from sugar and starch feedstocks // Biotechnol Adv. 2008.Vol. 26, Iss. 1 P. 89-105). В процессах биоконверсии лигноцеллюлозы стадией, сдерживающей внедрение данной технологии в производство, также является ферментативный гидролиз целлюлозы до глюкозы с последующим сбраживанием до этанола (Андреева Е. В. Переработка целлюлозосодержащих отходов при производстве добавок к моторному топливу // Экологическая безопасность в АПК. Реферат, журн. 2010. № 2. - С. 549; Morozova V. V., Gusakov А. V., Sinitsyn А. P. [et al.] Cellulases of Pénicillium Verruculosum // Biotechnology J. 2010. Vol. 5, Iss. 8. P. 871-880). Природная древесина и другие виды лигноцеллюлозы устойчивы к действию ферментов из-за кристаллической структуры целлюлозы, а также наличия в их составе лигнина и гемицеллюлоз, затрудняющих доступ ферментов к поверхности целлюлозных волокон (Teramoto Y., Lee S. H., Endo T. Pretreatment of woody and herbaceous biomass for enzymatic saccharification using sulfuric acid-free ethanol cooking // Bioresource Technologies. 2008. Vol. 18. P. 8856-8863; Taherzadeh M. J., Karimi K. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: a review II International J. of Molecular Sciences. 2008. Vol. 9. Iss. 9. P. 1621-1651; Болтовский В. С. Новые технологические процессы гидролитической и биохимической переработки растительной биомассы. Минск : БГТУ, 2009. 194 с; Reijnders L., Huijbregts М. A. J. Biofuels for road transport. London : Springer-Verlag London Limited, 2009. 171 p).
В связи с вышеизложенным в последние годы интенсивно изучаются методы предварительного глубокого физико-механического диспергирования растительного сырья, что позволяет разрушить не только крупные клеточные конгломераты, но и вызвать частичную деградацию растительных полимеров до олигомеров, а при некоторых условиях - и мономеров

уровня поступления кислорода (Rudolf A., Baudel Н., Zacchi G. [et al.] Simultaneous saccharification and fermentation of steam-pretreated bagasse using Saccharomyces cerevisiae TMB3400 and Pichia stipitis CBS6054 // Biotechnol. Bioeng. 2008. Vol. 99. P. 783-790).
Одним из наиболее перспективных грамотрицательных микроорганизмов является Zymomonas mobilis, у которого глюкоза метаболизируется с помощью 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконата альдолазы (KDPG альдолазы), одного из ключевых ферментов в Entner-Doudoroff (ED) пути. Результатом реакции является высокая эффективность производства этанола (Seo J. S., Chong Н., Park Н. S. [et al] The genome sequence of the ethanologenic bacterium Zymomonas mobilis ZM4//Nat. Biotechnol. 2005. Vol. 23. P. 63-68). В конце 1970-х годов, Z. mobilis считался самым быстрым продуцентом этанола из глюкозы благодаря 97% выходу спирта от теоретически возможного и относительно низкому накоплению биомассы (Rogers P. L., Lee К. J., Tribe D. Е. Kinetics of alcohol production by Zymomonas mobilis at high sugar concentrations // Biotechnology Letters. 1979. Vol. 1. P. 165-170; Rogers P. L., Jeon Y. J., Lee K. J. [et al.] Zymomonas mobilis for fuel ethanol and higher value products // Adv Biochem Eng Biotechnol. 2007. Vol. 108. P. 263-288).
Существуют по крайней мере два опытно-промышленных процесса, в том числе многоступенчатый Bio-Hol-процесс (Lawford Н. J. Ethanol production by high performance bacterial fermentation. George Weston Ltd. (Toronto, CA), 1987. US Patent 4647534) и Glucotech-процесе, разработанные с использованием Z mobilis для производства этанола, и протестированые с использованием сахарного сиропа, патоки (Doelle Н. W., Kennedy L. D., Doelle М. В. Scale-up of ethanol production from sugarcane using Zymomonas mobilis // Biotechnol Letters. 1991. Vol. 13. P. 131-136), свекольной мелассы, картофеля, кукурузного крахмала, сорго, маниока и саго. Несмотря на это, в настоящее время почти все производства используют разные виды Saccharomyces, а не Z. mobilis. Одной из причин является, по-видимому, относительно низкая продукция этой бактерией клеточной массы по сравнению с дрожжами, поскольку это приводит к дополнительным расходам при промышленном применении.
Другими важными факторами являются отсутствие опыта в сбраживании сырья с использованием Z mobilis в промышленных масштабах и коммерческие риски, связанные с заводскими испытаниями в сжатые сроки. Кроме того, этот микроб чувствителен к присутствию уксусной кислоты, низкому pH, повышенному содержанию этанола и микробной контаминации (Vertes A. A. et al. Biomass to Biofuels: Strategies for Global Industries. 560 p).
Как и обычные Saccharomyces, природные штаммы Z mobilis разлагают узкий диапазон гексоз и не утилизируют пентозы, такие как ксилоза и арабиноза (Lawford Н. G., Rousseau J. D. Performance testing of Zymomonas mobilis metabolically engineered for cofermentation of glucose, xylose, and arabinose // Appl. Biochem. Biotechnol. 2002. Vol. 98. P. 429-448). Тем не менее были