Preview

Катализ в промышленности

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Новые методы одностадийной переработки полисахаридных компонентов лигноцеллюлозной биомассы (целлюлозы и гемицеллюлоз) в ценные продукты. Часть 1. Методы активации биомассы

https://doi.org/10.18412/1816-0387-2016-1-74-83

Полный текст:

Аннотация

В статье представлен обзор литературы, опубликованной в основном за период 1995–2015 гг. и посвященной обсуждению результатов научных исследований, которые направлены на поиск новых перспективных катализаторов для промышленных процессов переработки полисахаридных компонентов лигноцеллюлозной биомассы, новых способов осуществления таких процессов, а также новых путей превращения полисахаридов в ценные химические вещества и топлива. Статья состоит из трех частей, в которых рассматриваются современные методы активации лигноцеллюлозной биомассы для разделения основных компонентов и/или подготовки полисахаридного сырья (целлюлозы, гемицеллюлоз) для дальнейшей переработки (ч. 1) и превращения этих компонентов каталитическими кислотными методами в моносахариды и фурановые соединения, причем наибольшее внимание уделено получению 5-гидроксиметилфурфурола (ч. 2), а также биотехнологическими ферментативными способами в такие ценные продукты, как этанол, изобутанол, молочная кислота (ч. 3).

Об авторах

Н. В. Громов
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), г. Новосибирск
Россия


О. П. Таран
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), г. Новосибирск; Новосибирский государственный технический университет (НГТУ)
Россия


К. Н. Сорокина
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), г. Новосибирск; Новосибирский государственный университет (НГУ)
Россия


Т. И. Мищенко
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), г. Новосибирск
Россия


Шивакумар Утанди
Тамилнадский аграрный университет, Марудхамалай-роуд, г. Коимбатур, штат Тамилнад
Индия


В. Н. Пармон
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), г. Новосибирск; Новосибирский государственный университет (НГУ)
Россия


Список литературы

1. Klass D.L. // Encyclopedia of Energy. Volume 1 / C.J. Cleveland. - San Diego: Elsevier, 1998. - P. 193–212.

2. Кузнецов Б.Н. // СОЖ. 1996. № 12. С. 47–55.

3. Mäki-Arvela P., Holmbom B., Salmi T. et al. // Catal. Rev. 2007. Vol. 49. № 3. P. 197–340.

4. Besson M., Gallezot P., Pinel C. // Chem. Rev. 2014. Vol. 114. № 3. P. 1827–1870.

5. Кузнецов Б.Н., Кузнецова С.А., Данилов В.Г. и др. // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. № 13. С. 531–539.

6. Мурзин Д.Ю., Симакова И.Л. // Катализ в промышленности. 2011. № 3. С. 8–40.

7. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ. Ч. 2 / В.А. Столярова, С.А. Апостолов, С.Е. Бабаш и др. СПб: НПО «Профессионал», 2002. 1142 с.

8. Gallezot P. // Chem. Soc. Rev. 2012. Vol. 41. № 4. P. 1538–1558.

9. Serrano-Ruiz J.C., Luque R., Sepulveda-Escribano A. // Chem. Soc. Rev. 2011. Vol. 40. № 11. P. 5266–5281.

10. Van Putten R.-J., van der Waal J. C., de Jong E. et al. // Chem. Rev. 2013. Vol. 113. № 3. P. 1499–1597.

11. Panoutsou C., Bauen A., Duffield J. // Biofuels Bioprod. Bioref. 2013. Vol. 7. № 6. P. 685–701.

12. Mäki-Arvela P., Simakova I.L., Salmi T. et al. // Chem. Rev. 2014. Vol. 114. № 3. P. 1909–1971.

13. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов / В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская. СПб: СПбЛТА, 1999. 682 с.

14. Древесина. Химия, ультраструктура, реакции / Д. Фенгел, Г. Вегенер, А. А. Леонович. М.: Лесная промышленность, 1988. 512 с.

15. Rinaldi R., Schuth F. // ChemSusChem. 2009. Vol. 2. № 12. P. 1096–1107.

16. Murzin D., Salmi T. // Catal. Lett. 2012. Vol. 142. № 6. P. 676–689.

17. Perez S., Mazeau K. // Polysaccharides. Structural diversity and functional versatility. Second edition / S. Dimitriu. - New York: M. Dekker, 2005. - P. 41–64.

18. Bioconversion of Forest and Agricultural Plant Wastes / J.N. Saddler, L.P. Ramos, C. Breuil. - London: C. A. B. International, 1993. - 73 P.

19. Синицын А.П., Клёсов А.А. // Прикладная биохимия и микробиология. 1981. T. 17. № 5. C. 682–694.

20. Singh R., Shukla A., Tiwari S. et al. // Renewable Sustainable Energy Rev. 2014. Vol. 32. P. 713–728.

21. Zheng Y., Zhao J., Xu F. et al. // Prog. Energy Combust. Sci. 2014. Vol. 42. P. 35–53.

22. Saha B.C., Iten L.B., Cotta M.A. et al. // Process Biochem. 2005. Vol. 40. № 12. P. 3693–3700.

23. Xiao W., Clarkson W. // Biodegradation. 1997. Vol. 8. № 1. P. 61–66.

24. Mosier N., Wyman C., Dale B. et al. // Bioresour. Technol. 2005. Vol. 96. № 6. P. 673–686.

25. Balat M. // Energy Convers. Manag. 2011. Vol. 52. № 2. P. 858–875.

26. Kim J.S., Lee Y.Y.,Kim T.H. // Bioresour. Technol. 2016. Vol. 199. P. 47–48.

27. Kim T.H., Kim J.S., Sunwoo C. et al. // Bioresour. Technol. 2003. Vol. 90. № 1. P. 39–47.

28. Balan V., Bals B., Chundawat S.S. et al. // Biofuels / J.R. Mielenz. - New York: Humana Press, 2009. - P. 61–77.

29. Kim T.H., Gupta, R., Lee, Y.Y. // Methods in Molecular Biology Book Series: Biofuels. V. 581. / J.R. Mielenz. - Totowa, New Jersey, USA: The Humana Press Inc, 2009. - P. 79–91.

30. Mäki-Arvela I., Anugwoma P., Virtanena R. et al. // Ind. Crops Prod. 2010. Vol. 32. № 3. P. 175–201.

31. Kilpeläinen I., Xie H., King A. et al. // J. Agric. Food Chem. 2007. Vol. 55. № 22. P. 9142–9148.

32. Yeh A.I., Huang Y.C., Chen S.H. // Carbohyd. Polym. 2010. Vol. 79. № 1. P. 192–199.

33. Ishiguro M., Endo T. // Bioresour. Technol. 2014. Vol. 153. P. 322–326.

34. Pinjari D., Pandit A. // Ultrason. Sonochem. 2010. Vol. 17. № 5. P. 845–852.

35. Dai L., Wang L.-Y., Yuan T.-Q. et al. // Polym. Degrad. Stab. 2014. Vol. 99. P. 233–239.

36. Zhou S., Liu L., Wang B. et al. // Process Biochem. 2012. Vol. 47. № 12. P. 1799–1806.

37. The Hydrolysis of Cellylosic Materials to Usefull Products. Hydrolysis of Cellylose: Mechanisms of Enzymatic and Acid Catalysis / A.E. Humphrey. - Washington: Adv.Chem. Ser. 181 ACS, 1979. - P. 25–53.

38. Yao W., Nokes S.E. // Biomass Bioenergy. 2014. Vol. 62. P. 100–107.

39. Scott G.M., Akhtar M., Swaney R.E. et al. // Progress in Biotechnology / L. Viikari, R. Lantto. - Elsevier, 2002. - P. 61–71.

40. Moilanen U., Kellock M., Galkin S. et al. // Enzyme Microbial. Technol. 2011. Vol. 49. № 6–7. P. 492–498.

41. Pretreatment of Biomass / A. Pandey, S. Negi, P. Binod et. al. - Amsterdam: Elsevier, 2015. - 264 P.

42. Singh R., Krishna B.B., Kumar J. et al. // Bioresour. Technol. 2016. Vol. 199. P. 398–407.

43. Комплексная химическая переработка древесины / В.И. Комаров И.Н. Ковернинский, С.И. Третьяков и др. Архангельск: АГТУ, 2002. 347 с.

44. Silverstein R.A., Chen Y., Sharma-Shivappa R.R. et al. // Bioresour. Technol. 2007. Vol. 98. № 16. P. 3000–3011.

45. Saha B.C., Iten L.B., Cotta M.A. et al. // Biotechnol. Progr. 2005. Vol. 21. № 3. P. 816–822.

46. Pere J., Puolakka A., Nousiainen P. et al. // J. Biotechnol. 2001. Vol. 89. № 1-2. P. 247–255.

47. Kaar W.E., Holtzapple M.T. // Biomass Bioenergy. 2000. Vol. 18. № 3. P. 189–199.

48. Kim T.H., Kim J.S., Sunwoo C. et al. // Bioresour. Technol. 2003. Vol. 90. № 1. P. 39–47.

49. Brodeur G., Yau E., Badal K. et al. // Enzyme Res. 2011. Vol. 2011. P. 17.

50. Rocha M., Rodrigues T., de Macedo G. et al. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2009. Vol. 155. № 1-3. P. 104–114.

51. Fontana J.D., Ramos L.P., Deschamps F.C. // Appl. Biochem. Biotechnol. 1995. Vol. 51-52. № 1. P. 105.

52. Amiri H., Karimi K. // Ind. Eng. Chem. Res. 2013. Vol. 52. № 33. P. 11494.

53. Kivaisi A. K., Eliapenda S. // Renewable Energy. 1994. Vol. 5. № 5–8. P. 791.

54. Monlau F., Barakat A., Steyer J. P. et al. // Bioresour. Technol. 2012. Vol. 120. P. 241–247.

55. Tsuda M., Aoyama M., Cho N. et al. // Bioresour. Technol. 1998. Vol. 64. № 3. P. 241–243.

56. Saha B.C., Cotta M.A. // Biotechnol. Progr. 2006. Vol. 22. № 2. P. 449–453.

57. Yang B., Boussaid A., Mansfield S.D. et al. // Biotechnol. Bioeng. 2002. Vol. 77. P. 678–684.

58. Пат. 4,556,431 США, МПК C13K13/00; C13K1/00; C13K1/02; C13K001/02. Process for hydrolyzing cellulose-containing material with gaseous hydrogen fluoride / Erckel R., Franz R., Woernle R. и др.; заявитель и патентообладатель Hoechst Aktiengesellschaft; опубл. 3 дек. 1985.

59. Rolz C., de Arriola M.C., Valladares J. et al. // Process Biochem. 1978. Vol. 22. № 1. P. 17–23.

60. Mes-Hartree M., Dale B.E., Craig W.K. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1988. Vol. 29. № 5. P. 462–468.

61. Sudo K., Shimizu K., Ishii T. et al.//Holzforschung. 1986. Vol. 40. № 6. P. 339.

62. Ramos L.P., Breuil C., Saddler J.N. // Appl. Biochem. Biotechnol. 1992. Vol. 34-35. № 1. P. 37–48.

63. Tanaka M., Matsuno R. // Enzyme Microb. Technol. 1990. Vol. 12. P. 190–195.

64. Kitsos H.M., Roberts R.S., Muzzy J.D. // Bioresour. Technol. 1992. Vol. 39. № 3. P. 241–247.

65. Chum H., Johnson D.K., Black S.K. // Ind. Eng. Chem. Res. 1990. Vol. 29. № 2. P. 156–162.

66. Nieves D.C., Karimi K., Horváth I.S. // Ind. Crop. Prod. 2011. Vol. 34. № 1. P. 1097–1101.

67. Gupta R., Khasa Y.P., Kuhad R.C. // Carbohydr. Polymer. 2011. Vol. 84. P. 1103–1109.

68. Mclntosh S., Vancov T. // Biomass Bioenergy 2011. Vol. 35. P. 3094–3103.

69. He X., Miao Y., Jiang X. et al. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2010. Vol. 160. № 8. P. 2449–2457.

70. Lin Z., Huang H., Zhang H. et al. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2010. Vol. 162. № 7. P. 1872–1880.

71. Li X., Kim T.H. // Bioresour. Technol. 2011. Vol. 102. № 7. P. 4779–4786.

72. Li B.-Z., Balan V., Yuan Y.-J. et al. // Bioresour. Technol. 2010. Vol. 101. № 4. P. 1285–1292.

73. Uppugundla N., da Costa Sousa L., Chundawat S. et al. // Biotechnol. Biofuels. 2014. Vol. 7. № 1. P. 72.

74. Zakrzewska M.E., Bogel-Łukasik E., Bogel-Łukasik R. // Chem. Rev. 2011. Vol. 111. № 2. P. 397–417.

75. Teghammar A., Karimi K., Sárvári Horváth I. et al. // Biomass Bioenergy. 2012. Vol. 36. P. 116–120.

76. Park J.I., Steen E.J., Burd H. et al. // PloS one. 2012. Vol. 7. № 5. P. e37010.

77. García-Cubero M.T., González-Benito G., Indacoechea I. et al. // Bioresour. Technol. 2009. Vol. 100. № 4. P. 1608–1613.

78. Teghammar A., Yngvesson J., Lundin M. et al. // Bioresour. Technol. 2010. Vol. 101. № 4. P. 1206–1212.

79. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы / С. С. Легоцкий, В.Н. Гончаров. М.: Бумажн. пром-ть, 1990. 224 с.

80. Gosh P., Singh A. // Adv. Appl. Microbiol. 1993. Vol. 39. P. 295–333.

81. Барышников С.В., Шарыпов В.И., Береговцова Н.Г. и др. // Журнал СФУ. Химия. 2014. Т. 7. № 3. С. 455–463.

82. Nakayama E., Okamura K. // Mokuzai Gakkaishi 1989. Vol. 35. № 3. P. 251.

83. Schwald W., Breuil C., Brownell H.H. et al. // Appl. Biochem. Biotechnol. 1989. Vol. 20/21. № 1. P. 29.

84. Brownell H.H., Saddler J.N. // Biotechnol. Bioeng. 1987. Vol. 29. P. 228.

85. Glasser W.G. // Forest Prod. J. 1981 Vol. 31. № 3. P. 24–29.

86. Sinitsyn A.P., Gusakov A.V., Vlasenko E.Y. // Appl. Biochem. Biotechnol. 1991. Vol. 30. № 1. P. 43–59.

87. Сарымсаков А.А., Балтаева М.М., Набиев Д.С. и др. // Химия растительрого сырья. 2004. № 2. P. 11–16.

88. Whittaker A., Mingos D. // J. Microw. Power. 1994. Vol. 29. № 4. P. 195–219.

89. Kardos N., Luche J.-L. // Carbohydr. Res. 2001. Vol. 332. № 2. P. 115–131.

90. Wu Y., Wu Z.-H., Zhang X.-J. et al. // Key Eng. Mater. 2014. Vol. 609-610. P. 526–530.

91. Zawadzki J., Radomski A., Zielenkiewicz T. et al. // Wood Res. 2012. Vol. 57. № 2. P. 279–284.

92. Wang X., Fang G., Hu C. et al. // J. Appl. Polym. Sci. 2008. Vol. 109. № 5. P. 2762–2767.

93. Yachmenev V.G., Bertoniere N.R., Blanchard E.J. // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2002. Vol. 77. № 5. P. 559–567.

94. Yachmenev V.G., Blanchard E.J., Lambert A.H. // Ultrasonics. 2004. Vol. 42. № 1-9. P. 87–91.

95. Механические методы активации химических процессов / Е. Г. Аввакумов. Новосибирск: Наука, 1986. 306 с.

96. Dasari R.K., Eric Berson R. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2007. Vol. 137-140. № 1-12. P. 289–299.

97. Silva G.G., Couturier M., Berrin J.G. et al. // Bioresour. Technol. 2012. Vol. 103. № 1. P. 192–200.

98. Hall M., Bansal P., Lee J.H. et al. // FEBS J. 2010. Vol. 277. P. 1571-1582.

99. Барышников С. В., Шарыпов В. И., Шарыпов В. И. и др. // Журнал СФУ. Химия. 2010. Т. 2. № 3. с. 120–127.

100. Пестунов А.В., Кузьмин А.О., Яценко Д.А. и др. // Журнал СФУ. Химия. 2015. Т. 8. № 3. С. 386-400.

101. Schwanninger M., Rodrigues J.C., Pereira H. et al. // Vib. Spectro. 2004. Vol. 36. № 1. P. 23–40.

102. Furcht P.W., Silla H. // Biotechnol. Bioeng. 1990. Vol. 35. P. 630–645.

103. Tassinary T., Macy C. // Biotechnol. Bioeng. 1977. Vol. 19. № 9. P. 1321–1330.

104. Пат. SU 1518123 A1 СССР, МПК В27; К5/06. Способ получения древесной муки / Гребенкина З.И., Жуков Н.А., Русских А.С. и др.; заявитель и патентообладатель Кировский политехнический институт; опубл. 30.10.89.

105. Пат. SU 1591924 A1 СССР, МПК А23; К1/12. Способ получения древесной муки / Симушкин С.Д., Мароне И.Я., Зысин Л.В.; заявитель и патентообладатель Кировский политехнический институт; опубл. 15.09.90.

106. Zhang P.F., Wang D.H., Cong W.L. et al. // J. Manuf. Sci. Eng. 2011. Vol. 133. №1 P. 011012.

107. Velmurugan R., Muthukumar K. // Biochem. Engin. 2012. Vol. 63. P. 1–9.

108. Sun Y., Cheng J. // Bioresour. Technol. 2002. Vol. 83. P. 1–11.

109. Ozbek B., Ulgen K.O. // Process Biochem. 2000. Vol. 35. № 9. P. 1037–1043.

110. Заварухин С.Г., Стрельцов И.А., Яковлев В.А. // Кинетика и катализ. 2011. Т. 52. № 4. С. 510–516.

111. Saddler J.N., Brownell H.H., Clermont L.P. et al. // Biotechnol. Bioeng. 1982. Vol. 24. P. 1389.

112. Brownell H., Saddler J. // Biotechnol. Bioeng. Symp. 1984. Vol.14. P. 55.

113. Excoffier G., Toussaint B., Vignon M.R. // Biotechnol. Bioeng. 1991. Vol. 38. P. 1308.

114. Allen S.G., Kam L.C., Zemann A.J. et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 1996. Vol. 35. № 8. P. 2709–2715.

115. Pérez J.A., González A., Oliva M. et al. // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2007. Vol. 82. № 10. P. 929–938.

116. Chandra R., Takeuchi H., Hasegawa T. // Appl. Energy. 2012. Vol. 94. P. 129–140.

117. Cara C., Ruiz E., Ballesteros I. et al. // Proc. Biochem. 2006. Vol. 41. № 2. P. 423–429.

118. Cara C., Romero I., Oliva J.M. et al. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2007. Vol. 137-140. № 1-12. P. 379–394.

119. Hideno A., Inoue H., Yanagida T. et al. // Bioresour. Technol. 2012. Vol. 104. P. 743–748.

120. Em Enzyme Systems for Lignocellulose Degradation / W. Schwald, T. Smaridge, M. Chan et. al. - New York: Elsevier, 1989. - 231 P.

121. Saritha M., Arora A.L. // Indian J. Microbiol. 2012. Vol. 52. № 2. P. 122–130.

122. Mot A.C., Silaghi-Dumitrescu R. // Biochem. 2012. Vol. 77. № 12. P. 1395.

123. Givaudan A., Effosse A., Faure D. et al. // FEMS Microbiol. Lett. 1993. Vol. 108. № 2. P. 205–210.

124. Hullo M.F., Moszer I., Danchin A. et al. // J. Bacteriol. 2001. Vol. 183. № 18. P. 5426–5430.

125. Ruijssenaars H.J., Hartmans S. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2004. Vol. 65. № 2. P. 177–182.

126. Kallio J.P., Auer S., Jänis J. et al. // J. Mol. Biol. 2009. Vol. 392. P. 895-909.

127. Berka R. M., Schneider P., Golightly E. J., et al. // Appl. Environ. microbiol. 1997. Vol. 63. № 8. P. 3151–3157.

128. Liers C., Ullrich R., Pecyna M. et al. // Enzyme Microbial. Technol. 2007. Vol. 41. № 6–7. P. 785–793.

129. Chowdhury P., Hari R., Chakraborty B. et al. // Pakistan J. Biolog. Sci. 2014. Vol. 17. № 2. P. 173–181.

130. Sondhi S., Sharma P., Saini S. et al. // PloS one. 2014. Vol. 9. № 5. P. e96951.

131. Qiu W., Chen H. // Bioresour. Technol. 2012. Vol. 118. P. 8–12.

132. Palonen H., Viikari L. // Biotechnol. Bioeng. 2004. Vol. 86. № 5. P. 550–557.

133. Vares T., Kalsi M., Hatakka A. // Appl. Environ. Microbiol. 1995. Vol. 61. № 10. P. 3515–3520.

134. Bourbonnais R., Paice M.G. // FEBS Lett. 1990. Vol. 267. № 1. P. 99–102.

135. Gutiérrez A., Rencoret J., Cadena E.M. et al. // Bioresour. Technol. 2012. Vol. 119. P. 114–122

136. Lu L., Zhao M., Zhang B.B. et al. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2007. Vol. 74. № 6. P. 1232–1239.

137. Rodríguez Couto S., Toca Herrera J.L. // Biotechnol. Adv. 2006. Vol. 24. № 5. P. 500–513.

138. Ruiz-Dueñas F.J., Martínez Á.T. // Microb. Biotechnol. 2009. Vol. 2. P. 164.

139. Jun H., Kieselbach T., Jönsson L.J. // Microbial Cell Factories. 2011. Vol. 10. P. 68.


Для цитирования:


Громов Н.В., Таран О.П., Сорокина К.Н., Мищенко Т.И., Утанди Ш., Пармон В.Н. Новые методы одностадийной переработки полисахаридных компонентов лигноцеллюлозной биомассы (целлюлозы и гемицеллюлоз) в ценные продукты. Часть 1. Методы активации биомассы. Катализ в промышленности. 2016;16(1):74-83. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2016-1-74-83

For citation:


Gromov N.V., Taran O.P., Sorokina K.N., Mishchenko T.I., Utandi S., Parmon V.N. New Methods for One-stage Processing of Polysaccaride Components of Lignocellulose Biomass (Cellulose and Hemicellulose) to Valuable Products. Part 1. Methods for Biomass Activation. Review. Kataliz v promyshlennosti. 2016;16(1):74-83. (In Russ.) https://doi.org/10.18412/1816-0387-2016-1-74-83

Просмотров: 455


ISSN 1816-0387 (Print)
ISSN 2413-6476 (Online)