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

The review paper covers literature published mainly between 1995 and 2015 in the field of investigations aimed at searching for new promising catalysts for industrial processing of polysaccharide components of lignocellulose biomass, for new methods to achieve the processes, as well as for new ways to transform polysaccharides into valuable chemicals and fuel. There are three parts of the paper, which consider modern methods for activation of lignocellulose biomass to separate main components and/or treatment of the polysaccharide feedstock (cellulose, hemicelluloses) to be further processed (Part 1) and catalytic acidic transformations of these components into monosaccharides and furans with the main focus on the production of 5-hydroxymethylfurfurol (Part 2), as well as application of biotechnological enzymatic methods for production of valuable chemicals such as ethanol, isobutanol, lactic acid (Part 3).

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.