ЛІГНОЦЕЛЮЛОЗА ЯК АЛЬТЕРНАТИВНА СИРОВИНА ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ БІОБУТАНОЛУ Виконала студентка ФПр. Н-3 (екологія) Босько Вероніка
Біобутанол • Бутанол (біобутанол) — нормальний бутиловий спирт (nбутанол, метилолпропан), рідина без кольору з характерним сивушним запахом, лінійний чотирикарбоновий аліфатичний спирт, молекулярна формула якого C 4 H 9 OH або СН 3(СН 2)3 ОН. • Бутанол застосовують як розчинник, сировину для хімічного синтезу або компонент біопалива. • Як паливо біобутанол використовують у карбюраторному та інжекторному двигунах у чистому вигляді, або як компонент у сумішевому паливі. • Біобутанол можна отримати з біомаси ферментацією цукроабо крохмалевмісної рослинної сировини (біобутанол 1 -го покоління) та переробленням лігноцелюлозної сировини (біобутанол 2 -го покоління).
• Основним компонентом практично всієї біомаси (відходи деревообробної промисловості і недеревних рослин, зокрема трави) є лігноцелюлоза. • Лігноцелюлоза — найпоширеніший відновлюваний ресурс і практично необмежений субстрат для ферментації.
Таблиця 1. Види та використання лігноцелюлозної сировини.
• Лігноцелюлоза складається з лігніну, геміцелюлози та целюлози. Рис. 1. Будова клітинної стінки: салатовим кольором показані клітинні мембрани, блакитним — геміцелюлоза, помаранчевим — целюлоза (макро- та мікрофібрили), синім — лігнін.
• Відсотковий склад компонентів лігноцелюлози може змінюватися залежно від виду сировини. Таблиця 2. Компонентний склад різних лігноцелюлозних відходів.
Геміцелюлози • гетерополісахариди, що найчастіше трапляються у здерев’янілих частинах рослин, соломі злаків із целюлозою; • не розчинні у воді, але розчинні у лужних розчинах і легше гідролізуються кислотами, ніж целюлоза; • залежно від вмісту у складі тих чи інших моноцукрів їх називають мананами, галактанами або пентозанами; • найбільш важливими і поширеними у природі є пентози — арабіноза та ксилоза і, особливо, гексози — глюкоза, фруктоза, галактоза, маноза. Ксилоза Глюкоза Галактоза
• Альтернативний субстрат – відходи ЦПК (сульфітні луги), які містили глюкозу, ксилозу та арабінозу; у рідких сульфітних відходах було отримано до 96% конверсії цукрів. • Заміна харчової сировини - відходи, утворені під час збирання та перероблення кукурудзи; містили 32– 37% пентозанів і легко гідролізувались. • Досліджували активність штамів клостридій на бетаглюкані та ксилані; показано, що вони мали високу геміцелюлазну активність, яка підвищувалась зі збільшенням частки сухої трави в середовищі для ферментації.
Целюлоза • Целюлоза — лінійний гомополісахарид β-Dглюкопіранози у вигляді довгих ниток, з’єднаних β-1, 4 -глікозидними зв’язками, нерозчинний у воді.
• Ступінь полімеризації (СП) целюлози становить від 100 до 7 000 і є одним з основних чинників, що впливає на біоконверсію целюлози.
• Целюлозу складно гідролізувати як хімічним, так і ензиматичним способом. Це пов’язано з тим, що молекулярні ланцюги целюлози, які не зв’язані містками, майже не містять гідроксильних груп. • Під час кипіння у мінеральних кислотах целюлоза гідролізується і перетворюється на глюкозу.
• Штами Clostridium аcetobutylicum NRRL B 527 та C. аcetobutylicum АТСС 824 показали целюлолітичну активність і здатність продукувати позаклітинні ензими. • Виробничий штам C. acetobutylicum P 270 мав невисоку целюлозну активність, яку можна підвищити за допомогою мутацій або генетичних маніпуляцій. Clostridium аcetobutylicum
Лігнін • Це природний полімер, розташований у клітинних стінках та міжклітинному просторі, скріплює целюлозні волокна. • Лігнін, виділений різними способами, відрізняється за складом і властивостями. • Розчиняється як у кислотах, так і в лугах. • Протолігнін майже не розчинний в органічних розчинниках. Рис. 3. Модель структури лігніну
• Одним із найпоширеніших мікроорганізмів для розщеплення целюлози і геміцелюлози є Trichoderma reesei, проте він не має ензимів для деградації лігніну. • Головну роль у переробці лігніну відіграють гриби базидіоміцети, що живуть як на живій, так і на мертвій деревині. • Основним продуктом розщеплення лігніну у природі є гумус. Trichoderma reesei
• Значну частину протолігніну розщеплюють гриби бурої гнилі, які спричиняють гідроліз полісахаридів. • Ефективними деструкторами лігніну є гриби білої гнилі, зокрема Phanerochaete chrysosporium. Саме його використовують у промислових технологіях для виробництва лігніндеградуючих ензимів, а також для безпосереднього застосування під час біоконверсії лігноцелюлози. Phanerochaete chrysosporium
• Деградація полімерного лігніну відбувається під дією позаклітинних ензимів — оксидоредуктаз, зокрема лігнінпероксидази, Mn-пероксидази * та лакази **. Крім того, лігнінолітичний комплекс грибів включає піранозооксидази, глюкозооксидази, гліоксальоксидази та целобіозодегідрогенази. Mn-пероксидаза - глікопротеїн; структуру активного центру складає залізопорфірин ІХ. Позаклітинний фермент. Реакція, яку каталізує: Mn. П + Н 2 О 2 = Mn-І + Н 2 О • Mn-І + Mn 2+ = Mn-ІІ + Mn 3+ Mn-ІІ + Mn 2+ = Mn. П + Mn 3+ + Н 2 О, де Mn-І – Fe 4+ - оксо-порфірин-радикальний комплекс; Mn-ІІ - Fe 4+ - оксо-порфіриновий комплекс. • Лакази – глікопротеїни; молекули в основному представляють собою мономери, що складаються з 3 -х послідовно з’єднаних купродоксиноподібних доменів, скручених у щільну глобулу. Структуру активного центру складає ансамбль з 4 -х іонів міді. Внутрішньоклітинний та/або позаклітинний фермент. Реакція, яку каталізує: 4 бензендіол + О 2 = 4 бензосеміхінон + 2 Н 2 О
• Менш вивченими вважають Daedalea flavida, Phlebia fascicularia, P. floridensis та P. radiate, які використовують лише за необхідності відділення лігніну із сировини та селективного розщеплення лігніну. • Незначне розщеплення лігніну притаманне Cellulomonas, Pseudomonas, актиноміцетам Thermomonospora та Microbispora, а також бактеріям з поверхневозв’язаним целюлозним комплексом, зокрема Clostridium thermocellum та Ruminococcus. Clostridium thermocellum
• Геміцелюлази вважають мультидоменними протеїнами, як і більшість інших ензимів, що гідролізують полісахариди рослинних клітин.
• Геміцелюлази можуть мати як специфічну активність (наприклад, ксиланазну), так і бути біфункціональними (розщеплювати декілька субстратів). • Результатом дії цих ензимів може бути як повна утилізація сировини, так і модифікація, необхідна для подальшої ферментації.
• Ензиматично целюлозу розщеплюють два ензими: целюлаза, яка спричиняє розщеплення молекул целюлози на молекули целобіози, та целобіаза, що викликає розщеплення молекул целобіози і утворення глюкози. • Целюлозні ланцюги високостабільні за рахунок міжланцюгових водневих та вандерваальсових взаємодій між піранозними кільцями.
Dziękuję za uwagę!
Використані джерела • ЛІГНОЦЕЛЮЛОЗА ЯК АЛЬТЕРНАТИВНА СИРОВИНА ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ БІОБУТАНОЛУ, С. М. ШУЛЬГА, О. О. ТІГУНОВА, Я. Б. БЛЮМ, ДУ «Інститут харчової біотехнології та геноміки» НАН України, Київ.
Скачать презентацию ЛІГНОЦЕЛЮЛОЗА ЯК АЛЬТЕРНАТИВНА СИРОВИНА ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ БІОБУТАНОЛУ Виконала
Bosko_V_seminar_9_dopovnennya.ppt