Получение биоэтанола в процессе одновременного осахаривания и ферментации отходов переработки древесины и сельского хозяйства

Степанов Н. А., Ефременко Е. Н., Барфоломеев С. Д., Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля Российской академии наук, Москва, Россия
 Toai T. D., Institute of Сhemistry, VAST, Hanoi, Vet Nam

В связи с ростом цен на нефть повышается интерес к альтернативным видам топлива, в частности биоэтанолу, который можно получить из различного сырья, состоящего в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина.

При производстве этанола из целлюлозосодержащих отходов необходимо применение ферментативного гидролиза. Целесообразно использовать комбинированные ферментные препараты, катализирующие гидролиз различных компонентов, входящих в состав исходного продукта. Для реализации процесса в промышленных масштабах наиболее перспективно проведение одновременного осахаривания и ферментации (ООФ) сырья.

ООФ позволяет соединить ферментативный гидролиз сырья с конверсией образующихся сахаров в этанол: ферменты гидролизируют полисахарида: до мономерных сахаров, которые немедленно потребляются микроорганизмами-продуцентами этанола. Таким образом, в системе достигается общий сдвиг химического равновесия в сторону образования конечного продукта, что позволяет увеличить степень гидролиза субстрата и повысить производительность процесса в целом.

Цель работы — исследование процесса ООФ измельченной и обессмоленной сосны, а также измельченной пшеничной соломы с применением различных целлюлазных препаратов в комбинации с β-глюкозидазой и участием свободных и иммобилизованных в криогель поливинилового спирта клеток дрожжей Saccharomyces bayanus.

Процесс проводили при рН среды 5,0 с введением в реакционную среду 200 г/л каждого из исследуемых субстратов. Для гидролиза использовали следующие ферментные препараты:

1)   целловиридин — комплексный ферментньгй препарат целлюлолитического действия, содержащий целлюлазу, глюканазу и ксиланазу;

2)   B221-151 — комплексный ферментный препарат целлюлаз, выделенных из мицелиального гриба рода Penicillium;

3)   Novozym 188 — комгшексный ферментный препарат, содержащий β-глюкозидазу.

Суммарная концентрация ферментов в среде составляла 6,5 мг общего белка на 1 г субстрата, например, 5 мг целлюлазного препарата смешивали с 1,5 мг β-глюкозидазы. Концентрация дрожжевых клеток в среде составила 4·10⁶ кл/мл. Процесс проходил в анаэробных условиях в течение 48 ч при температуре 30 °С и постоянном перемешивании со скоростью 180 об/мин.

В ходе процесса контролировали концентрацию накапливающегося в среде этанола (таблица).

По окончании процесса (48 ч) концентрация этанола в пробах с иммобилизованными клетками была выше, чем со свободными.

В пробах без ферментативной обработки наблюдалась самая низкая концентрация этанола, что подтвердило необходимость применения ферментативной гидролитической обработки сырья, совмещенной с конверсией образующихся сахаров клетками дрожжей.

Таким образом, установлено, что использование иммобилизованных клеток дрожжей и ферментативных комбинаций целлюлазного препарата В221-151 с β-глюкозидазой обеспечивает эффективное протекание процесса одновременного осахаривания и ферментации измельченной пшеничной соломы и обессмоленной сосны.

Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН (грант 05-РАН-18).