Получение биоэтанола из шелухи овса с применением метода фермент-субстратной подпитки

Перспективным способом утилизации шелухи овса является ее биоконверсия в технический биоэтанол. Для повышения экономической эффективности процесса необходим поиск способов повышения концентрации биоэтанола в бражке. В данной работе для получения биоэтанола применен процесс совмещенного ферментативного гидролиза и спиртового брожения, то есть совмещение биокаталитических стадий (СБС), кроме того, при совмещении использовано отсроченное внесение инокулята. Целью работы являлось сравнительное исследование процессов СБС: при начальной концентрации субстрата 60 г/л (разовая загрузка субстрата) и при повышении концентрации субстрата до 120 г/л методом фермент-субстратной подпитки (загрузка субстрата в концентрации 60 г/л в начале процесса, затем подпитка через 4 и 8 ч по 30 г/л субстрата). Субстрат – шелуха овса, обработанная 4 мас.% азотной кислоты на опытно-промышленном производстве; для ферментативного гидролиза использована мультиэнзимная композиция из промышленных ферментных препаратов «Целлолюкс-А» и «Ультрафло Коре»; спиртовое брожение осуществлено с помощью дрожжей Saccharomyces сerevisiae Y-1693 (ВКПМ); оборудование – ферментер вместимостью 11 л. Повышение концентрации субстрата в 2 раза с помощью подпитки привело к повышению концентрации биоэтанола в 1,7 раза (с 2,4 до 4,0 об.%), но к снижению его выхода на 11,4 %. Разрабатываются режимы подпитки, обеспечивающие достижение повышенной концентрации биоэтанола в бражке без снижения его выхода.

1. United States Department of Agriculture, Foreign Agricultural Service, Office of Global Analysis. World Agricultural Production (Circular Series WAP 11-19). URL: https://apps.fas.usda.

2. gov/psdonline/circulars/production.pdf. Accessed November 2019.

3. Webster F.H., Wood P.J. American Association of Cereal Chemists // Oats: Chemistry and technology. St. Paul, Minn: AACC International, 2011.

4. Феллер Е.Ю., Копылова О.И., Авдеева Д.А., Ефанов М.В., Беушев А.А., Коньшин В.В. // Ползуновский вестник. 2019. № 1. С. 128—131.

5. Свергузова С.В., Шайхиев И.Г., Гречина А.С., Шайхиева К.И. // Экономика строительства и природопользования. 2018. № 2 (67). С. 51—60.

6. Huang Q., Niu C.H., Dalai A.K. // Chem. Eng. J. 2019. V. 356. P. 830-838. doi: 10.1016/j.cej.2018.09.067.

7. Abedi A., Dalai A.K. // Fuel. 2019. V. 254. doi: 10.1016/j. fuel.2019.05.168.

8. Sakovich G.V., Mikhailov Yu.M., Budaeva V.V., Korchagina A.A., Gismatulina Yu.A., Kozyrev N.V. // Doklady Chemistry. 2018. V. 483. № 1. doi: 10.1134/S0012500818110101.

9. De Oliveira J.P., Bruni G.P., el Halal S.L.M., Bertoldi F.C., Dias A.R.G., da Rosa Zavareze E. // Int. J. Biol. Macromol. 2018. V. 124. P. 175-184. doi:10.1016/j.ijbiomac.2018.11.205.

10. Schneider D., Wassersleben S., Wei? M., Denecke R., Stark A., Enke D. // Waste Biomass Valorization. 2018. doi: 10.1007/s12649-018-0415-6.

11. Valdebenito F., Garc?a Lovera R. A., Cruces K., Ciudad G., Chinga-Carrasco G., Habibi Y. // ACS Sustain. Chem. Eng. 2018. V. 6. P. 12603-12612. doi: 10.1021/acssuschemeng.8b00771.

12. Kashcheyeva E.I., Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V. // Polymers. 2019. V. 11. № 1645. doi:10.3390/polym11101645.

13. Aleshina L.A., Gladysheva E.K., Budaeva V.V., Skiba E.A., Arkharova N.A., Sakovich G.V. // Crystallography Reports. 2018. V. 63. № 6. P. 955-960. doi: 10.1134/S1063774518050024.

14. Chaud L.C.S., Silva D.D.D.V., Mattos R.T.D., Felipe M.D.G.D.A. // Braz. Arch. Biol. Technol. 2012. V. 55. P. 771-777.

15. Lawford H.G., Rousseau J.D., Tolan J.S. // Appl. Biochem. Biotechnol. 2001. V. 91. P. 133-146. doi: 10.1385/ABAB:91-93:1-9:133.

16. Сакович Г.В., Будаева В.В., Скиба Е.А., Макарова Е.И., Павлов И.Н., Кортусов А.Н., Золотухин В.Н. // Ползуновский вестник. 2012. № 4. С. 173—176.

17. Skiba E.A., Budaeva V.V., Baibakova O.V., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. // Biochem. Eng. J. 2017. V. 126. P. 118-125. doi:10.1016/j.bej.2016.09.003.

18. Bychkov A., Podgorbunskikh E., Bychkova E., Lomovsky O. // Biotechnol Bioeng. 2019. V. 116. № 5. P. 1231-1244. doi: 10.1002/bit.26925.

19. Donohoe B.S., Resch M.G. // Curr. Opin. Chem. Biol. 2015. V. 29. P. 100-107. doi: 10.1016/j.cbpa.2015.08.014.

20. Dahman Y., Syed K., Begum S., Roy P., Mohtasebi B. // Biomass, Biopolymer-Based Materials, and Bioenergy. 2019. P. 277-325. doi: 10.1016/b978-0-08-102426-3.00014-x.

21. Paulov? L., Pat?kov? P., Rychtera M., Melzoch K. // Fuel. 2014. V. 122. P. 294-300. doi: 10.1016/j.fuel.2014.01.020.

22. Raj K., Krishnan C. // Ind. Crops and Prod. 2019. V. 131. P. 32-40. doi: 10.1016/j.indcrop.2019.01.032.

23. Unrean P., Khajeeram S., Laoteng K. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2016. V. 100. P. 2459-2470. doi: 10.1007/s00253-015-7173-1.

24. Kurschner K., Hoffer A. // Fresenius J. Anal. Chem. 1993. V. 92. № 3. P. 145-154.

25. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с.

26. TAPPI method T222 om-83. Acid-insoluble lignin in wood and pulp. In: Test methods 1998—1999. Atlanta. TAPPI Press, 1999.

27. TAPPI method T211 om-85. Ash in wood, pulp, paper, and paperboard. In: Test methods. Atlanta. TAPPI Press, 1985.

28. Миронова Г.Ф., Скиба Е.А., Кухленко А.А. // Катализ в промышленности. 2019. Т. 19. № 6. С. 482—489. doi: 10.18412/1816-0387-2019-6-482-489.

29. Pavlov I.N. // Catal. Ind. 2014. Vol. 6. № 4. P. 350-360. doi: 10.1134/S207005041404014X.

30. Skiba E.A., Mironova G.F., Kukhlenko A.A., Orlov S.E. // Catal. Ind. 2018. Vol. 10. № 3. P. 257-262. doi: 10.1134/ S207005041803008X.

31. Miller G.L. // Anal. Chem. 1959. V. 31. № 3. P. 426—428. doi: 10.1021/ac60147a030.

32. Dotsenko A., Gusakov A., Rozhkova A., Sinitsyna O., Shashkov I., Sinitsyn A. // 3 Biotech. 2018. V. 8. № 9. P. 1—8. doi:10.1007/s13205-018-1419-4.

33. Яровенко В.Л., Маринченко В.А., Смирнов В.А. и др. Технология спирта. М.: Колос, 2002. 464 с.

34. Hu F., Ragauskas A. // Bioenerg. Res. 2012. V. 5. № 4. P. 1043-1066. doi: 10.1007/s12155-012-9208-0.

35. Yu Z., Jameel H., Chang H., Philips R., Park S. // Biotechnol. Bioeng. 2011. V. 109. № 5. P. 1131-1139. doi: 10.1002/bit.24386.