Biocatalytic transformation of semi-finished hardwood into sugars – carrying out the process of enzymatic hydrolysis at a high concentration of substrate

The possibility of exhaustive enzymatic hydrolysis of semi-bleached sulfate hardwood pulp, a semi-finished product of pulp and paper production, at its super high concentrations in the reaction mixture (up to 300 g/l) is shown. For hydrolysis, Russian commercial enzyme preparations were used, the best of them was Agroxyl Plus, which has a high activity of cellulases and endoxylanase. With the help of Agroxyl Plus (at its dosage of 20 mg protein/g substrate) in the presence of an auxiliary enzyme preparation of β-glucosidase (2 mg protein/g substrate) at an initial concentration of semi-bleached cellulose of 300 g/l, 290 g/l sugars (210 g/l glucose, 30 g/l xylose) were obtained. Due to fed-batch enzymatic hydrolysis, it was possible to halve the dosage of Agroxyl Plus (10 mg protein/g of substrate at a total concentration of semi-bleached cellulose of 300 g/l) while maintaining a high yield of hydrolysis products – 270 g/l sugars (200 g/l glucose, 30 g/l xylose).

1. Гусаков А.В., Синицын А.П. Деполимеризация природных биополимеров. Ферментативный гидролиз целлюлозы // Химия биомассы: биотоплива и биопластики / под ред. С.Д. Варфоломеева. М. : Научный мир, 2017. С. 65–99.

2. Синицын А.П., Синицына О.А. // Успехи биологической химии. 2021. Т. 61. С. 347–414. doi:10.1134/S0006297921140121.

3. Aksenov A.S., Tyshkunova I.V., Poshina D.N., Guryanova A.A., Chukhchin D.G., Sinelnikov I.G., Terentyev K.Y., Skorik Y.A., Novozhilov E.V., Sinitsyn A.P. // Catalysts. 2020. Vol. 10, № 5. P. 536. doi:10.3390/catal10050536.

4. Доценко Г.С., Чекушина А.В., Кондратьева Е.Г., Правильников А.Г., Андрианов Р.М., Осипов Д.О., Синицына О.А., Короткова О.Г., Степанов В.И., Новожилов Е.В., Ачильдиев Е.Р., Константинова С.А., Синицын А.П. // Вестник Московского государственного университета леса – Лесной вестник. 2012. № 8 (91). С. 129–134.

5. Sun Q., Foston M., Meng X., Sawada D., Pingali S.V., O’Neill H.M., Li H., Wyman Ch.E., Langan P., Ragauskas A.J., Kumar R. // Biotechnol. Biofuels. 2014. Vol. 7. Article number 150. P. 1 – 14. doi:10.1186/s13068- 014-0150-6.

6. Yang B., Dai Z., Ding S.-Y., Wyman C.E. // Biofuels. 2011. Vol. 2, № 4. P. 421–449. doi:10.4155/bfs.11.116.

7. Kumar P., Barrett D.M., Delwiche M.J., Stroeve P. // Ind. Eng. Chem. Res. 2009. Vol. 48. P. 3713–3729. doi:10.1021/ie801542g.

8. Karimi K., Taherzadeh M.J. // Bioresour. Technol. 2016. Vol. 200. P. 1008–1018. doi: 10.1016/j.biortech.2015.11.022.

9. Liguori R., Ventorino V., Pepe O., Faraco V. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2016. Vol. 100, № 2. P. 597–611. doi:10.1007/s00253-015-7125-9.Dibyajyoti Haldar, Mihir Kumar Purkait // Process Biochem. 2020. Vol. 89. P. 110–133. doi:10.1016/j.procbio.2019.10.001.Yu-Cai He, Cui-Luan Ma, Bin Yang. Pretreatment process and its synergistic effects on enzymatic digestion of lignocellulosic material // Fungal cellulolytic enzymes. Microbial production and application / Ed. by Xu Fang, Yinbo Qu. Springer. 2018. P. 1–25. doi:10.1007/978-981-13-0749-2_1.

10. Alvira P., Tomáspejó E., Ballesteros M., Negro M.J. // Bioresour. Technol. 2010. Vol. 101, № 13. P. 4851–4861. doi:10.1016/j.biortech.2009.11.093.

11. Новожилов Е.В., Синельников И.Г., Аксенов А.С., Чухчин Д.Г., Тышкунова И.В., Рожкова А.М., Осипов Д.О., Зоров И.Н., Синицын А.П. // Катализ в промышленности. 2015. Т. 15, № 5. С. 78–83. doi:10.18412/1816-0387-2015-5-78-83.

12. Van Heiningen A. // Pulp and Paper Canada. 2006. Vol. 107, № 6. P. 38–43.

13. Синицын А.П., Синицына О.А., Зоров И.Н., Рожкова А.М. // Прикл. биохимия и микробиология. 2020. Т. 56, № 6. С. 551–560. doi:10.31857/S0555109920060161.

14. Морозова В.В., Семенова М.В., Рожкова А.М., Кондратьева Е.Г., Окунев О.Н., Беккаревич А.О., Новожилов Е.В., Синицын А.П. // Прикл. биохимия и микробиология. 2010. Т. 46, № 3. С. 397–400.

15. Jin Y., Jameel H., Chang H., Phillips R. // J. Wood Chem. Technol. 2010. Vol. 30. P. 86–104. doi:10.1080/02773810903578360.

16. Buzala K., Przybysz P., Rosicka-Kaczmarek J., Kalinowska H. // Cellulose. 2015. Vol. 22, № 1. P. 663–674. doi:10.1007/s10570-014-0522-x.

17. Du J., Cao Y., Liu G., Zhao J., Li X., Qu Y. // Bioresour. Technol. 2017. Vol. 229. P. 88–95. doi:10.1016/j.biortech.2017.01.011.

18. Kadhum H.J., Rajendran K., Murthy G.S. // Bioresour. Technol. 2017. Vol. 244. P. 108–116. doi:10.1016/j.biortech.2017.07.047.

19. Nwamba M.C., Song G., Sun F., Mukasekuru M.R., Ren H., Zhang Q., Cao T., Wang H., Sun H., Hong J. // Bioresour. Technol. 2021. Vol. 338. Article 125505. doi:10.1016/j.biortech.2021.125505.

20. Mukasekuru M.R., Kaneza P., Sun H., Sun F., He J., Zheng P. // Ind. Crops Products. 2020. Vol. 146. Article 112156. doi.org/10.1016/j.indcrop.2020.112156.

21. Семенова М.В., Рожкова А.М., Осипов Д.О., Сатрутдинов А.Д., Синицына О.А., Рубцова Е.А., Кондратьева Е.Г., Синицын А.П. // Прикл. биохимия и микробиология. 2019. Т. 55, № 6. С. 586–593. doi:10.1134/S0555109919050118.

22. Ying W., Zhu J., Xu Y., Zhang J. // Bioresour. Technol. 2021. Vol. 340. Article 125624. doi:10.1016/j.biortech.2021.125624.

23. Wei W., Wu S. // Bioresour. Technol. 2017. Vol. 245. P. 289–295. doi:10.1016/j.biortech.2017.08.133.

24. Gao Y., Xu J., Yuan Z., Zhang Y., Liu Y., Liang C. // Bioresour. Technol. 2014. Vol. 167. P. 41–45. doi:10.1016/j.biortech.2014.05.034.

25. Baral P., Pundir A., Kumar V., Kurmi A.K., Agrawal D. // Food Bioproducts Processing. 2020. Vol. 124. P. 72–81. doi:10.1016/j.fbp.2020.08.005.

26. Синицын А. П., Черноглазов В. М., Гусаков А. В. // Итоги науки и техники. Серия Биотехнология. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 25. С. 148.

27. Семенова М.В., Гусаков А.В., Телицин В.Д., Матыс В.Ю., Бубнова Т.В., Немашкалов В.А., М. Рожкова А.М., Синицын А.П. // Прикл. биохимия и микробиология. 2022. Т. 58, № 4. С. 366–373. doi:10.31857/S0555109922040146.