catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"catal-1105Research ArticleБИОТОПЛИВОBIOFUELSБиокатализаторы на основе иммобилизованных клеток микроорганизмов в процессах получения биоэтанола и биобутанолаBiocatalysts based on immobilized cells of microorganisms in the production processes of bioethanol and biobutanolЕфременкоЕ. Н.EfremenkoE. N.ctls@kalvis.ruСтепановН. А.StepanovN. A.ctls@kalvis.ruНикольскаяА. Б.NikolskayaA. N.ctls@kalvis.ruСенькоО. В.SenkoO. V.ctls@kalvis.ruСпиричеваО. В.SprichevaO. V.ctls@kalvis.ruВарфоломеевС. Д.VarfolomeevS. D.ctls@kalvis.ruХимический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова; Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, МоскваРоссияFaculty of Chemistry, Lomonosov Moscow State University; N.M. Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences, MoscowRussian FederationИнститут биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, МоскваРоссияN.M. Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences, MoscowRussian FederationХимический факультет МГУ имени М.В. ЛомоносоваРоссияFaculty of Chemistry, Lomonosov Moscow State UniversityRussian Federation201015012025057177Copyright © LLC "KALVIS", 20242024LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/1105

В статье рассматриваются процессы получения биоэтанола и биобутанола, как перспективных видов альтернативного топлива, с использованием биокатализаторов на основе клеток различных микроорганизмов, иммобилизованных в криогель поливинилового спирта. Биокатализаторы на основе иммобилизованных клеток стабильно обеспечивают получение биоэтанола из разнообразных отходов промышленности и сельского хозяйства (пшеничной соломы, свекловичного и тростникового жома, пергамента, кукурузной кочерыжки, отходов переработки сои) с высокой степенью конверсии потреблённых субстратов в целевой продукт. Концентрации этанола в средах с биокатализаторами существенно выше тех, что получены для свободных клеток тех же микроорганизмов. Установлено, что иммобилизованные клетки мицелиальных грибов способны конвертировать в этанол более широкий спектр сахаров, присутствующих в обрабатываемых средах, чем традиционно используемые дрожжи. Показано, что иммобилизация клеток рода Clostridium, продуцирующих бутанол, позволяет устойчиво изменить соотношение между накапливающимися в среде растворителями в процессе «ацетон–бутанол–этанольного» брожения в сторону увеличения доли бутанола, улучшив тем самым характеристики процесса по сравнению с существующими технологиями на основе свободных клеток бактерий.

The characteristics of production processes of bioethanol and biobutanol, being perspective types of alternative fuels, organized by the use of biocatalysts based on cells of various microorganisms immobilized into polyvinyl alcohol cryogel, are discussed. Biocatalysts on the base of immobilized cells stably provide the ethanol production from different wastes of industry and agriculture (wheat straw, beet and sugar cane bagasse, parchment, corn cob, waste processing of soybean) with high conversion degree of consumed substrates to target product. Ethanol concentrations accumulated in the media with the biocatalysts are much higher as compared to the same characteristics established for the free cells of investigated microorganisms. It was revealed, that immobilized cells of filamentous fungi are capable of conversion of a wider spectrum of sugars present in the treated media to ethanol than traditionally used yeast cells. Immobilization of genus Clostridium cells producing butanol was shown to stably change the relation between solvents accumulated in the medium during «acetone–butanol–ethanol»-fermentation towards increase in butanol part and make characteristics of the process better as compared to known technologies based on application of free bacterial cells.

биокатализаториммобилизованные клеткидрожжимицелиальные грибыбиоэтанолбиобутанолbiocatalystimmobilized cellsyeastsfilamentous fungibioethanolbiobutanolReferencesEfremenko E.N., Lyagin I.V., Senko O.V., Stepanov N.A., Spiricheva O.V., Azizov R.E. // Leading-Edge Environmental Biodegradation (Ed.L.E. Pawley). Nova Science Publ. Inc. N.-Y. 2007. Ch.1. P. 11.Efremenko E.N., Lyagin I.V., Senko O.V., Stepanov N.A., Spiricheva O.V., Azizov R.E. // Leading-Edge Environmental Biodegradation (Ed.L.E. Pawley). Nova Science Publ. Inc. N.-Y. 2007. Ch.1. P. 11.Варфоломеев С.Д., Ефременко Е.Н., Крылова Л.П. // Успехи химии. 2010. Т. 79.Варфоломеев С.Д., Ефременко Е.Н., Крылова Л.П. // Успехи химии. 2010. Т. 79.Ефременко Е.Н., Татаринова Н.Ю. // Микробиология. 2007. Т.76. №3, С. 383.Ефременко Е.Н., Татаринова Н.Ю. // Микробиология. 2007. Т.76. №3, С. 383.Clark T.A. Mackie K.L. // J. Chem. Tech. Biotechnol. 1984. V. 34. P. 101.Clark T.A. Mackie K.L. // J. Chem. Tech. Biotechnol. 1984. V. 34. P. 101.Yu J., Zhang X., Tan T. // J. Biotechnol. 2007. V.129. P. 415.Yu J., Zhang X., Tan T. // J. Biotechnol. 2007. V.129. P. 415.Yu J., Zhang X., Tan T. // Biomass Bioenerg. 2009. V. 33. P. 521.Yu J., Zhang X., Tan T. // Biomass Bioenerg. 2009. V. 33. P. 521.Yamashita Y., Kurosumi A., Sasaki C., Nakamura Y. // Biochem Eng J. 2008. V. 42. P. 314.Yamashita Y., Kurosumi A., Sasaki C., Nakamura Y. // Biochem Eng J. 2008. V. 42. P. 314.Liu R., Li J., Shen F. // Renew Energ. 2008 V. 33. P. 1130.Liu R., Li J., Shen F. // Renew Energ. 2008 V. 33. P. 1130.Karimi K., Emtiazi G., Taherzadeh M. J. // Enzyme Microb. Tech. 2006. V. 40. P. 138.Karimi K., Emtiazi G., Taherzadeh M. J. // Enzyme Microb. Tech. 2006. V. 40. P. 138.Karimi K., Emtiazi G., Taherzadeh M. J. // Proc. Biochem. 2006. V. 41. P. 653.Karimi K., Emtiazi G., Taherzadeh M. J. // Proc. Biochem. 2006. V. 41. P. 653.Степаненко П. // The Chem. J. 2008. P. 30.Степаненко П. // The Chem. J. 2008. P. 30.Shapovalov O.I., Ashkinazi L.A. // Rus. J. Appl. Chem. 2008. V. 81. P. 2232.Shapovalov O.I., Ashkinazi L.A. // Rus. J. Appl. Chem. 2008. V. 81. P. 2232.Huang W., Ramey D.E., Yang S.// Appl. Biochem. Biotechnol. 2004. V. 113–116. P. 887.Huang W., Ramey D.E., Yang S.// Appl. Biochem. Biotechnol. 2004. V. 113–116. P. 887.Lienhardt J., Schripsema J., Qureshi N., Blaschek H.P.// Appl. Biochem. Biotechnol. 2002. V.98–100. P. 591.Lienhardt J., Schripsema J., Qureshi N., Blaschek H.P.// Appl. Biochem. Biotechnol. 2002. V.98–100. P. 591.Пат. № 2322499 (РФ) Способ получения иммобилизованного биокатализатора и биокатализатор для производства спиртосодержащих напитков. // Ефременко Е.Н., Степанов Н.А., Мартыненко Н.Н., Грачева И.М. 2008.Пат. № 2322499 (РФ) Способ получения иммобилизованного биокатализатора и биокатализатор для производства спиртосодержащих напитков. // Ефременко Е.Н., Степанов Н.А., Мартыненко Н.Н., Грачева И.М. 2008.Пат. № 2253677 (РФ) Иммобилизованный биокатализатор, способ его получения и способ получения молочной кислоты с использованием этого биокатализатора. //. Ефременко Е.Н., Спиричева О.В., Варфоломеев С.Д., Синеокий С.П., Байбак А.В., Лозинский В. И. 2005.Пат. № 2253677 (РФ) Иммобилизованный биокатализатор, способ его получения и способ получения молочной кислоты с использованием этого биокатализатора. //. Ефременко Е.Н., Спиричева О.В., Варфоломеев С.Д., Синеокий С.П., Байбак А.В., Лозинский В. И. 2005.Lozinsky V.I., Plieva F.M. // Enzyme Microb. Tech. 1998. V. 23. P. 227.Lozinsky V.I., Plieva F.M. // Enzyme Microb. Tech. 1998. V. 23. P. 227.Efremenko E.N., Spiricheva O.V., Veremeenko D.V., Lozinsky V.I. // Chem. Industry. 2004. V.58. P. 116.Efremenko E.N., Spiricheva O.V., Veremeenko D.V., Lozinsky V.I. // Chem. Industry. 2004. V.58. P. 116.Stepanov N.A., Efremenko E.N.// Biocatalysis and Biocatalytic Technologies. Nova Science Publ. Inc. N.-Y. 2006. Ch.VI. P. 67.Stepanov N.A., Efremenko E.N.// Biocatalysis and Biocatalytic Technologies. Nova Science Publ. Inc. N.-Y. 2006. Ch.VI. P. 67.Efremenko E., Senko O., Zubaerova D., Podorozhko E., Lozinsky V. // Food Techn. Biotechn. 2008. V. 46. P. 208.Efremenko E., Senko O., Zubaerova D., Podorozhko E., Lozinsky V. // Food Techn. Biotechn. 2008. V. 46. P. 208.Efremenko E., Lyagin I., Gudkov D., Varfolomeyev S. // Biocatalysis Biotransform. 2007. V.25. P. 359.Efremenko E., Lyagin I., Gudkov D., Varfolomeyev S. // Biocatalysis Biotransform. 2007. V.25. P. 359.Ballesteros M., Oliva J. M., Negro M. J., Manzanares P., Ballesteros I. // Process Biochem. 2004. V. 29. P. 1843.Ballesteros M., Oliva J. M., Negro M. J., Manzanares P., Ballesteros I. // Process Biochem. 2004. V. 29. P. 1843.Ballesteros M., Oliva J. M., Negro M. J., Manzanares P., Ballesteros I. // World J. Microb. Biot. 2002. V. 18. P. 559.Ballesteros M., Oliva J. M., Negro M. J., Manzanares P., Ballesteros I. // World J. Microb. Biot. 2002. V. 18. P. 559.Martín C., Galbe M., Wahlbom F., Hahn-Hägerdal B., Jönsson L. J. // Enzyme Microb. Tech. 2002. V. 31. P. 274.Martín C., Galbe M., Wahlbom F., Hahn-Hägerdal B., Jönsson L. J. // Enzyme Microb. Tech. 2002. V. 31. P. 274.Pimentel L.D., Patzek T. W. // Nat. Res. Research. 2005. V. 14. P. 65.Pimentel L.D., Patzek T. W. // Nat. Res. Research. 2005. V. 14. P. 65.Fujii, N. Oki T., Sakurai A., Suye S., Sakakibara M. // J. Ind. Microbiol. Biot. 2001. V. 27. P. 52.Fujii, N. Oki T., Sakurai A., Suye S., Sakakibara M. // J. Ind. Microbiol. Biot. 2001. V. 27. P. 52.Jamai L., Ettayebi K., Yamani J.El, Ettayebi M. //Bioresour. Technol. 2007 V. 98. P. 2765.Jamai L., Ettayebi K., Yamani J.El, Ettayebi M. //Bioresour. Technol. 2007 V. 98. P. 2765.Bandaru V.V.R., Somalanka S.R., Mendu D.R., Madicherla N.R., Chityala A. // Enzyme Microb. Tech. 2006. V.38, P. 209.Bandaru V.V.R., Somalanka S.R., Mendu D.R., Madicherla N.R., Chityala A. // Enzyme Microb. Tech. 2006. V.38, P. 209.Staniszewski M., Kujawski W., Lewandowska M. // J. Food Engineer. 2007. V. 82. P. 618.Staniszewski M., Kujawski W., Lewandowska M. // J. Food Engineer. 2007. V. 82. P. 618.Olofsson K., Bertilsson M., Liden G. // Biotechn. Biofuels. 2008. V. 1. P.1.Olofsson K., Bertilsson M., Liden G. // Biotechn. Biofuels. 2008. V. 1. P.1.Staniszewski M., Kujawski W., Lewandowska M. // Food Engineer. 2009. V. 91. P.240.Staniszewski M., Kujawski W., Lewandowska M. // Food Engineer. 2009. V. 91. P.240.Lee S., Cho M.O., Park C.H., Chung Y., Kim J.H., Sang B., Um Y. // Energy Fuels. 2008. V. 22. P.3459.Lee S., Cho M.O., Park C.H., Chung Y., Kim J.H., Sang B., Um Y. // Energy Fuels. 2008. V. 22. P.3459.Lienhardt J., Schripsema J., Qureshi N., Blaschek H.P. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2002. V. 98–100. P. 591.Lienhardt J., Schripsema J., Qureshi N., Blaschek H.P. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2002. V. 98–100. P. 591.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.