Получение из мискантуса биоэтанола: опыт первичного масштабирования

В технической химии растет востребованность в прекурсорах, полученных методами биотехнологии, так, для получения этилена актуальным является использование биоэтанола. В данной работе в качестве сырья для получения биоэтанола впервые использован Miscanthus sacchariflorus. В условиях опытно-промышленного производства успешно масштабирована стадия химической обработки мискантуса с помощью 4 мас.% раствора азотной кислоты, получен продукт азотнокислой обработки (ПАО) с выходом 37,4 % и содержанием гидролизуемых компонентов 96,0 %. Показано, что предварительная химическая обработка мискантуса азотной кислотой независимо от его сорта позволяет получить субстраты с близкими химическими составами. Целью работы является первичное масштабирование в ферментере вместимостью 11 л (коэффициент масштабирования 1 : 8) совмещенного процесса осахаривания-сбраживания ПАО из мискантуса при повышении концентрации ПАО от 60,0 до 90,0 г/л. Для осахаривания использованы промышленно доступные ферментные препараты «Целлолюкс-А» и «Брюзайм BGX», для сбраживания – штамм дрожжей ВКПМ Saccharomyces сerevisiae Y-1693. Установлено, что при повышении концентрации субстрата от 60,0 до 90,0 г/л концентрация биоэтанола увеличивается на 9,5 г/л, для масштабирования процесса в условиях опытно-промышленного производства рекомендовано использовать концентрацию субстрата 90,0 г/л. Предложена принципиальная схема получения биоэтанола с выходом биоэтанола 202 л/т мискантуса.

1. Zabed H. Sahu J.N., Suely A., Boyce A.N., Faruq G. // Energy Review. 2017. Vol. 71. P. 475—501. DOI: 10.1016/j.rser.2016.12.076.

2. Saha B.C, Nichols N.N., Qureshi N., Kennedy G.J., Iten L.B., Cotta M.A. // Bioresource Technology. 2015. Vol. 175. P. 17—22. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.10.060.

3. Haq F., Ali H., Shuaib M., Badshah M., Hassan S.W., Munis M.F.H., Chaudhary H.J. // International Journal of Green Energy. 2016. Vol. 13 (14). P. 1413-1441.

4. Niju S., Swathika M. // Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. 2019. Vol. 20. P. 101263. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bcab.2019.101263.

5. Yeh R.-H., Lin Y.-S., Wang T.-H., Kuan W.-C., Le W.-C. // Biomass and Bioenergy. 2016. Vol. 94. P. 110-116. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2016.08.009.

6. Boakye-Boaten N.A., Xiu S., Shahbazi A., Wang L., Li R., Mims M., Schimmel K. // Bioresource Technology. 2016. Vol. 204. P. 98-105. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.12.070.

7. Скиба Е.А., Будаева В.В., Байбакова О.В., Удоратина Е.В., Шахматов Е.Г., Щербакова Т.П., Кучин А.В., Сакович Г.В. // Катализ в промышленности. 2015. Т. 15. № 6. С. 59—66. DOI: 10.18412/1816-0387-2015-6-70-77.

8. Skiba E.A., Budaeva V.V., Baibakova O.V., Udoratina E.V., Shakhmatov E.G., Shcherbakova T.P., Kuchin A.V., Sakovich G.V. // Catalysis in Industry. 2016. Vol. 8. No. 2. Р. 168—175. DOI: 10.1134/S2070050416020100.

9. Kang K.E., Jeong J.-S., Kim Y., Min J., Moon S.-K. // Journal of Bioscience and Bioengineering. 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2019.04.004.

10. Chenga S., Yu H., Hu M., Wu Y., Cheng L., Cai Q., Tu Y., Xia T., Peng L. // Bioresource Technology. 2018. Vol. 263. P. 67—74. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.04.031.

11. Dubis B., Bułkowska K., Lewandowska M., Szempliński W., Jankowski K.J., Idźkowski J., Kordala N., Szymańska K. // Bio-resource Technology. 2017. Vol. 243. P. 731—737. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.07.005.

12. Smuga-Kogut M., Piskier T., Walendzik B., Szymanowska-Powałowska D. // Electronic Journal of Biotechnology. 2019. Volume 41. P. 1-8. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejbt.2019.05.001.

13. Дорогина О.В., Васильева О.Ю., Нуждина Н.С., Буглова Л.В., Гисматулина Ю.А., Жмудь Е.В., Зуева Г.А., Комина О.В., Цыбченко Е.А. // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018. Т. 22. № 5. С. 553—559. DOI: 10.18699/VJ18.394.

14. Yang F., Afzal W., Cheng K., Liu N., Pauly M., Bell A.T., Liu Z., Prausnitz J.M. // Biotechnology and Bioprocess Engineering. 2015. Vol. 20. Р. 304-314. DOI: 10.1007/s12257-014-0658-4.

15. Botella С., Zhang K., Baugh A., Liang Y., Sivakumar S.V. // Biochemical Engineering Journal. 2019. Vol. 150. 107256. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bej.2019.107266.

16. Bychkov A., Podgorbunskikh E., Bychkova E., Lomovsky O.I. // Biotechnology and Bioengineering. 2019. V. 116:5. P. 1231-1244. https://doi.org/10.1002/bit.26925.

17. Bychkov A.L., Podgorbunskikh E.M., Ryabchikova E.I., Lomovsky O.I. // Cellulose. 2018. Vol. 25 (1). P. 1—5. DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-017-1536-y.

18. Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Bulina N.V., Lomovskii O.I. // Journal of Structural Chemistry. 2018. Vol. 59 (1). P. 201-208. https://doi.org/10.1134/S0022476618010328.

19. Подгорбунских Е.М., Бычков А.Л., Ломовский О.И. // Катализ в промышленности. 2016. Т. 16. № 2. С. 57—61. DOI: 10.18412/1816-0387-2016-2-57-61.

20. Podgorbunskikh E.M., Bychkov A.L., Lomovskii O.I. // Catalysis in Industry. 2016. Vol. 8. No. 3. Р. 274—279. DOI: 10.1134/S2070050416030090.

21. Huang Y., Qin X., Luo X., Nong Q., Yang Q., Zhang Z., Gao Y., Lu F., Chen Y., Yu Z., Liu J., Feng J. // Biomass and Bioenergy. 2015. Vol. 77. P. 53—63. DOI: 10.1016/j.biombioe.2015.03.020.

22. Banzaraktsaeva S.P., Ovchinnikova E.V., Danilova I.G., Danilevich V.V., Chumachenko V.A. // Chemical Engineering Journal. 2019. Vol. 374. P. 605—618. DOI: 10.1016/j.cej.2019.05.149.

23. Skiba E.A., Baibakova O.V., Budaeva V.V., Pavlov I.N., Vasilishin M.S., Makarova E.I., Sakovich G.V., Ovchinnikova E.V., Banzaraktsaeva S.P., Vernikovskaya N.V., Chumachenko V.A. // Chemical Engineering Journal. 2017. Vol. 329. P. 178—186. DOI: 10.1016/j.cej.2017.05.182.

24. Unrean P., Khajeeram S., Laoteng K. // Applied microbiology and biotechnology. 2016. Vol. 100. P. 2459-2470. DOI: 10.1007/s00253-015-7173-1.

25. Althuri A., Chintagunta A.D., Sherpa K.C., Banerjee R. // Biorefining of Biomass to Biofuels. 2018. Р. 265-285. DOI: 10.1007/978-3-319-67678-4_12.

26. Байбакова О.В. // Фундаментальные исследования. 2015. № 2—13. С. 2783—2786.

27. Rodrigues T.H.S., de Barros E.M., de Sá Brígido J., da Silva W.M., Rocha M.V.P., Gonçalves L.R.B. // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2016. Vol. 178. P. 1167—1183. DOI: 10.1007/s12010-015-1936-0.

28. Phitsuwan P., Permsriburasuk C., Waeonukul R., Pason P., Tachaapaikoon C., Ratanakhanokchai K. // Biomass and BioenergyBioenergy. 2016. Vol. 93. P. 150—157. DOI: 10.1016/j.biombioe.2016.07.012.

29. Agrawal R., Bhadana B., Mathur A.S., GuptaImproved R.P., Satlewal A. // Frontiers in Energy Research. 2018. Vol. 6. P. 115. DOI: https://doi.org/10.3389/fenrg.2018.00115.

30. Sotaniemi V.H., Taskila S., Ojamo H., Tanskanen J. // Biomass Bioenergy. 2016. Vol. 91. P. 271-277. DOI: 10.1016/j.biombioe.2016.05.037.

31. Kadhum, Madhа D., Mahapatra, Murthy G.S. // Bioresource Technology. 2019. Volume 283. P. 67-75. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.03.060.

32. Поцелуев О.М., Капустянчик С.Ю. // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2018. № 10 (168). С. 55—60.

33. Kurschner K., Hoffer A. // Fresenius Journal of Analytical Chemistry. 1993. Vol. 92 (3). P. 145—154.

34. Obolenskaya A.V., Yelnitskaya Z.P., Leonovich A.A. Laboratory Works on Wood and Cellulose Chemistry: Textbook for Higher Educational Institutions. Ecology Publisher, Moscow (in Russian). 1991. Book can be downloaded free of charge from direct link: http://www.twirpx.com/file/190572.

35. TAPPI T222 om-02 (2002) Acid-insoluble lignin in wood and pulp. Tappi Press, Atlanta, GA, USA.

36. TAPPI T211 om-85 (1985) Ash in wood, pulp, paper, and paperboard. Tappi Press, Atlanta, GA, USA.

37. Павлов И.Н. // Катализ в промышленности. 2014. № 1. С. 68—74. Pavlov I.N. // Catalysis in Industry. 2014. Vol. 6. No. 4. Р. 355-360. DOI: 10.1134/S207005041404014X.

38. Макарова Е.И., Будаева В.В., Скиба Е.А. // Химия растительного сырья. 2013. № 2. С. 43—50. 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.

39. Skiba Е.A., Budaeva V.V., Baibakova O.V., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. // Biochemical Engineering Journal. 2017. Vol. 126. P. 118—125. DOI: 10.1016/j.bej.2016.09.003.

40. Nikitin N.I. The chemistry of Cellulose and Wood. Scientific Translations Ltd., Jerusalem, 1966. P. 306.

41. Budaeva V.V., Makarova E.I., Gismatulina Y.A. // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 670. P. 202—206. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.670.202

42. Denisova M.N., Makarova E.I., Pavlov I.N., Budaeva V.V., Sakovich G.V. // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2016. V. 178, № 6. Р. 1196—1206. DOI: 10.1007/s12010-015-1938-y.

43. Скиба Е.А., Павлов И.Н. Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: Материалы 9-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. Бийск, 18—20 мая 2016 г. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та. С. 367—371.

44. Байбакова О.В. // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. № 3. С. 79—84. DOI: 10.21285/2227-2925-2018-8-3-79-84. Baibakova O.V. // Izvestiya vuzov:prikladnaya khimiya i biotekhnologiya. 2018. Vol. 8. Is. 3. P. 79—84 (in Russian). DOI: 10.21285/2227-2925-2018-8-3-79-84.