Enzymatic Hydrolysis of Lignocellulosic Materials in Aqueous Media followed by Microbiological Synthesis of Bioethanol

Enzymatic hydrolysis in aqueous media was studied using a lignocellulosic material (LCM) prepared from miscanthus and LCM prepared from oat covering (OC) as substrates to obtain bioethanol. LCM synthesis was a one-step processing of the feedstock with nitric acid (Pilot Plant of IPCET SB RAS). Commercially available enzymatic agents CelloLux-A and BrewZyme BGX were used for enzymatic hydrolysis in aqueous media at high initial concentrations (90 g/l) of the substrates. The yields of reducing substances (monosaccharides, mainly glucose) were established to equal 65,4 % and 73,3 % of the substrate weight for miscanthus LCM and OC, respectively. The composition of monosaccharides as products of biocatalytic decomposition of LCM was studied for the first time to show the predominant content of glucose. It was first time to synthesize bioethanol from LCM. The yield of bioethanol per unit of feedstock was 19,4 dal/t for miscanthus biomass and 16,2 dal/t for OC. A low methanol content (0,002–0,005 vol %) was characteristic of the experimental bioethanol samples.

1. DEH Ethanol Standard 18/2004 Report, Setting a Quality Standard for Fuel Ethanol, International Fuel Quality Center, 2004.

2. Somerville C. // Science. 2010. № 329. Р. 790–792.

3. Sun Y., Chehg J. // Bioresourse Technology. 2002. № 83. Р. 1–11.

4. Jordan D.B., Bowman M.J., Braker J.D., Dien B.S., Hector R.E., Lee C.C., Mertens J.A., Wagschal K. // Biochem. J. 2012. 442. P. 241–252. DOI:10.1042/BJ20111922.

5. Hu Z., Ragauskas A.J. // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 4225–4230.

6. Saha B.C. // Journal of Industrial Microbial Biotechnology. 2003. № 30. Р. 279–291.

7. Hallac B.B., Ragauskas A.J. // Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2010. № 5. Р. 215–225.

8. Ioelovich M., Morag E. // BioResources. 2011. V. 6. № 3. P. 2818–2834.

9. Макарова Е.И. // Химия в интересах устойчивого развития. 2013. Т. 21. № 2. С. 219–225.

10. Makarova E.I., Budaeva V.V., Skiba E.A. // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2014. Vol. 40. No 7. P. 726–732. DOI: 10.1134/S1068162014070103.

11. Pavlov I.N. // Catalysis in Industry. 2014. Vol. 6. No. 4. Р. 350–360. DOI: 10.1134/S207005041404014X.

12. Скиба Е.А., Будаева В.В., Павлов И.Н., Макарова Е.И., Золотухин В.Н., Сакович Г.В. // Биотехнология. 2012. № 6. С.42–52.

13. Скиба Е.А., Будаева В.В., Макарова Е.И., Павлов И.Н., Золотухин В.Н., Сакович Г.В. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2013. Т. 16. № 22. С. 202–205.

14. Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V., Veprev S.G., Sakovich G.V., Shumny V.K. Cellulose from Various Parts of Soranovskii Miscanthus // Russian Journal of Genetics: Applied Research. – 2015. – Vol. 5, No. 1. – Р. 60–68.

15. Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. Учебник для вузов. М.: Лесная промышленность, 1989. 496 с.

16. Будаева В.В., Скиба Е.А., Байбакова О.В., Макарова Е.И., Орлов С.Е., Кухленко А.А., Удоратина Е.В., Щербакова Т.П., Кучин А.В., Сакович Г.В. // Катализ в промышленности. 2015. № 5. С. 60-66.

17. Римарева Л.В., Воронцова Н.Н. Микробиологический контроль спиртового и ферментного производств. М.: Россельхозакадемия, 2005. 200 с.

18. Румянцев Е.В., Антина Е.В., Чистяков Ю.В. Химические основы жизни: Учебное пособие по направлению подготовки бакалавров и магистров «Химия». М.: КолосС, 2007. 560 с.

19. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы: Учебное пособие для вузов. М.: «Экология», 1991. 320 с.

20. ГОСТ Р 51135–2003. Изделия ликероводочные. Правила приемки и методы анализа. Технические требования. Введ. 1998-03-02. М.: ИУС, 2003. 116 с.

21. ГОСТ Р 51786–2001. Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газохроматографический метод определения подлинности. М.: Изд-во стандартов, 2001. 8 с.

22. Синицын А.П., Гусаков А.В., Скомаровский А.А., Кондратьева Е.Г., Осипов Д.О., Правильников А.Г., Андрианов Р.М., Окунев О.Н., Беккаревич А.О., Матыс В.В., Кошелев А.В., Бубнова Т.В., Берлин А.Х. // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии имени Ю.А. Овчинникова. 2010. Т. 6. № 2. С. 11–15.

23. Zhiying Yu // Biotechnology and Bioengineering, 2012. V. 109. № 5. Р. 1131–1139.

24. Hu F., Ragauskas A. // Bioenerg. Res. 2012. № 5. P. 1043–1066.

25. Скиба Е.А., Момот Т.О., Бычин Н.В., Золотухин В.Н. // Ползуновский вестник. 2013. № 3. С. 197–202.

26. Шарков В.И. Технология гидролизных производств / В.И. Шарков, С.А. Сапотницкий, О.А. Дмитриева. М.: Лесная промышленность, 1973. 408 с.

27. ГОСТ 17299–78. Спирт этиловый технический. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1978. 4 с.

28. ГОСТ Р 52193–2003. Спирт этиловый-сырец из пищевого сырья. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2005. 4 с.

29. Технология спирта / В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко, В.А. Смирнов и др.; Под ред. проф. В.Л. Яровенко. М.: Колос, 1999. 464 с.; ил.