Биоэтанол, получаемый из возобновляемого растительного сырья, является перспективным источником чистого топлива. Одним из наиболее доступных и дешёвых видов такого сырья выступает лигноцеллюлоза — структурный полимер, который составляет основу растительной биомассы. Для того, чтобы конвертировать лигноцеллюлозу в биоэтанол, необходимо провести её предварительный гидролиз с получением ферментируемых сахаров. На сегодняшний день наиболее перспективным методом такого гидролиза считается ферментативный под действием целлюлаз.
Состав и структура лигноцеллюлозы
Лигноцеллюлоза представляет собой комплекс, состоящий из трёх основных полимеров: целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина. Целлюлоза — это линейный полисахарид, построенный из остатков глюкозы. Она образует в лигноцеллюлозе высококристаллическую фракцию, которая труднодоступна для ферментативного гидролиза. Гемицеллюлозы также представляют собой полисахариды, но в отличие от целлюлозы они разветвлённые и аморфные. Лигнин — это ароматический полимер, выполняющий в клеточной стенке растений защитную и структурную функцию.
Такая сложная и плотная структура лигноцеллюлозы делает её труднодоступной для гидролитических ферментов. Поэтому перед ферментолизом необходимо провести предобработку сырья с целью разрушения лигноцеллюлозного комплекса.
Методы предобработки лигноцеллюлозы
Для предобработки лигноцеллюлозного сырья перед ферментативным гидролизом применяются различные физические, химические и биологические методы.
Физические методы включают измельчение, экструзию, взрывной автогидролиз и обработку водой при высоких температурах. Они позволяют уменьшить размер частиц и степень кристалличности целлюлозы за счёт механического воздействия.
Химические методы основаны на обработке лигноцеллюлозы кислотами, щелочами, органическими растворителями и ионными жидкостями. Химические реагенты способствуют разрыву эфирных связей между лигнином, гемицеллюлозами и целлюлозой.
Биологические методы включают ферментативную обработку лигнинолитическими ферментами грибов белой и бурой гнили. Они эффективно разрушают лигнин и повышают доступность целлюлозы.
Комбинирование разных методов предобработки позволяет добиться синергетического эффекта и максимально подготовить лигноцеллюлозу для последующего ферментативного гидролиза.
Ферментативный гидролиз лигноцеллюлозы
Ферментативный гидролиз предобработанной таким образом лигноцеллюлозы проводят целлюлолитическими ферментами — целлюлазами. Они катализируют гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз с образованием растворимых сахаров, которые затем могут быть сброжены в биоэтанол.
Целлюлазы
Целлюлазы представляют собой комплекс ферментов, необходимых для эффективной деструкции целлюлозы. Ключевыми компонентами этого комплекса являются:
Эндоглюканазы — гидролизуют внутренние β-1,4 связи в целлюлозе, действуя по принципу наудачу;
Экзоглюканазы (целлобиогидролазы) — отщепляют целлобиозу и глюкозу от концевых нередуцирующих остатков целлюлозы;
β-глюкозидазы — гидролизуют целлобиозу до глюкозы.
Также для полного гидролиза лигноцеллюлозы необходимы дополнительные ферменты — ксиланазы, маннаназы и другие, специфичные к гемицеллюлозам.
Источники целлюлаз
Основными продуцентами целлюлаз являются микроскопические грибы родов Trichoderma, Aspergillus, Penicillium и др. Их культивируют глубинным или поверхностным способом на целлюлозосодержащих субстратах, после чего выделяют и очищают ферменты.
Также перспективным источником целлюлаз считаются рекомбинантные штаммы дрожжей и бактерий. Их ДНК модифицируют для экспрессии генов целлюлаз из разных организмов. Это позволяет получать ферменты в высокой концентрации при относительно низких затратах.
Условия ферментативного гидролиза
Для эффективного ферментативного гидролиза лигноцеллюлозы необходимо оптимизировать ряд условий:
Температура — оптимум для большинства целлюлаз составляет 45-50°C. Более высокие температуры приводят к инактивации ферментов;
pH — оптимальные значения находятся в слабокислом диапазоне 4-5;
Соотношение фермент/субстрат — повышенные дозировки целлюлаз ускоряют процесс, но требуют больших затрат;
Добавки — небольшие количества поверхностно-активных веществ, ионов металлов, восстановителей улучшают стабильность и активность ферментов.
При оптимальных параметрах гидролиза достигается высокий выход глюкозы и других сахаров для последующего сбраживания в биоэтанол.
