Кинетика ферментативного гидролиза растительного сырья

БИОХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 663.1

Р. М. Нуртдинов, Р. Т. Валеева, В. М. Емельянов,

С. Г. Мухачев, М. В. Харина

КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Ключевые слова: ферментативный гидролиз, растительное сырьё, солома, редуцирующие вещества

Проведены исследования процессов ферментативного гидролиза соломы при варьировании концентрации ферментных препаратов с целью получения ферментолизатов с максимальным содержанием редуцирующих веществ.

Key words: enzymatic hydrolysis, plant raw materials, straw, reducing substances.

The studies on enzymatic hydrolysis of straw with varying concentration of enzymatic preparations was carried out to produce hydrolysates with a maximum content of reducing substances.

Известен ряд работ в области использования гидролизатов и ферментолизатов соломы в кормопроизводстве, а также в качестве питательных сред для процессов микробиологического синтеза. Однако в промышленной биотехнологии России ферментативный гидролиз лигноцеллюлозных материалов до сих пор не освоен. Применение высокоэффективных ферментных препаратов позволит осуществлять низкозатратное производство пригодных к ферментации сахаров из лигноцеллюлозных материалов.

Для максимального выхода редуцирующих веществ при ферментативной обработке лигноцеллюлозного сырья должно быть использовано оптимизированное сочетание ферментов. Активность ферментных препаратов во многом зависит от содержания в субстрате различных фракций (целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина). Для определения наиболее эффективных ферментных препаратов для гидролиза конкретных видов сырья, необходимо исследование кинетических закономерностей гидролитических процессов.

В работе проведено исследование кинетических закономерностей ферментативного гидролиза соломы жидкими ферментными препаратами фирмы Genencor International PS AO3329-1.OEN GC-440 (с активностью целлюлазы 1470-1800 ед/г), PS AO3143-1.1EN Optiflow RC 2.0, PS AO3131-1.OEN GC-220 и PS AO3197-1.OEN Acellerase CB100 (с активностью целлюлазы 6200-7580 ед/г). Модельные эксперименты для изучения ферментативной кинетики осуществляли, используя в качестве источника целлюлозы бумагу и вату. В дальнейшем использовалась размолотая и просеянная через сито до размеров частиц 1 мм ржаная солома. Опыты проводили при варьировании гидромодуля и концентрации ферментных препаратов в диапазоне 0,1 - 1,0 г/л.

Солому предварительно запаривали в автоклаве при избыточном давлении 0,07 - 0,1 МПа в течение 0,5 - 1 часа. В течение всего процесса определяли изменение общего содержания сахаров в гидролизате. Процессы ферментолиза проводили в течение 8-10 часов в соответствии с характеристикой применяемых ферментных препаратов при поддержании активной кислотности в диапазоне 4,9-5,0 ед. рН и температуре 49°С [1,2].

Исследования кинетики и стехиометрии реакций ферментативного гидролиза дисперсных твердофазных субстратов растительного происхождения проводили в качалочных колбах объемом 250 мл на качалке со скоростью встряхивания 220 мин-1 с термостатированием и в лабораторном ферментолизере с автоматическим регулированием рН и термостатированием. В качалочных колбах были проведены процессы ферментолиза при различных концентрациях ферментного препарата PS AO3197-1.OEN Acellerase CB100 (табл. 1, рис 1.).

Таблица 1 - Зависимость выхода сахаров от концентрации фермента PS AO3197-1.OEN Acellerase CB100 в качалочных колбах

Номер процесса Количество фермента, ед. активн. Максимальное РВ, масс. % Выход РВ, мас. %

1 62-75,8 0,43 4,3

2 62-75,8 0,46 4,6

3 6,2-17,6 0,46 4,6

4 31-37,9 0,48 4,8

5 62-75,8 0,32 3,2

6 1,6-1,9 0,26 2,6

7 3,1-3,8 0,26 2,6

8 4,6-5,7 0.22 2,2

Рис. 1 - Выход РВ при различных концентрациях ферментного препарата

Результаты контрольного процесса ферментолиза бумаги при разных концентрациях фермента (при разных единицах активности фермента: 7,2-7,6; 15,5-18,9; 30,8-37,7) в ферментолизере ферментным препаратом PS AO3197-1.OEN Acellerase CB100 представлены на рис.2.

Единица акшЕносги 1^-1 А -ш- 15,5-13,9 -----jO.S-37.,7

Время, час

Рис. 2- Динамика концентрации редуцирующих веществ в процессах ферментолиза бумаги при разных концентрациях фермента PS AO3197-1.OEN Acellerase CB100

Результаты процесса ферментолиза соломы при разных концентрациях фермента (при разных единицах активности фермента: 3-3,8; 15,5-18,9; 30,8-37,7) в ферментолизере ферментным препаратом PS AO3197-1.OEN Acellerase CB100 представлены на рис. 3.

Единица

зешеносги

3-3,8 15.5-18,9 ----30,8-37,7

0 1 2 3 4- S Є 7 S

Время, час

Рис. 3 - Динамика концентрации редуцирующих веществ при разных концентрациях фермента PS AO3197-1.OEN Acellerase CB100

Результаты процесса ферментолиза соломы при разных концентрациях фермента (при разных единицах активности фермента: 15,5-18,9; 23,2-28,3; 30,8-37,7) в ферментолизере ферментным препаратом PS AO3143-1.1EN Optiflow RC2.0 представлены на рис. 4.

Единица

акпшности

—•—15,5-18.9 — 23,2-28,3 —*—30.8-37.7

О 2 4-50

Время, час

Рис. 4 - График зависимости содержания редуцирующих веществ от продолжительности процесса гидролиза соломы ферментом Р8 AO3143-1.1EN Optiflow ЯО.О

Результаты процесса ферментолиза бумаги в ферментолизере ферментным препаратом РБ РБ Л03143-1.1ЕК Optiflow ЯС2.0 представлены на рисунке 5

/ Д’Д 54- Единица

0.8 . зешености

и — 6,2-7,6

1 ° ^*—12,2-28.3

я г, ,

о, О А  —15,5-18=9

о.^ .

I: -1 о 8 1

Время, час

Рис. 5 - График зависимости содержания редуцирующих веществ от продолжительности процесса гидролиза соломы с ферментом Р8 AO3143-1.1EN Optiflow ЯО.О

Таким образом, ферментный препарат РБ Л03143-1.1ЕК Optiflow ЯС2.0 обеспечивает такое же накопление редуцирующих веществ в процессе ферментолиза соломы, как и при использовании чистой целлюлозы. Это открывает возможности применения ферментов данного типа в процессах подготовки питательных сред на стадиях приготовления инокулятов в отделениях чистой культуры. В условиях многотоннажных производств, например, в производстве топливных спиртов ферментный препарат РБ Л03143-1.1ЕК 0ptiflow ЯС2.0 может обеспечить заметную экономию более дорогих субстратов (фуражное зерно, отруби и др.).

Литература

1. Нуртдинов, Р.М. Исследование ферментативного гидролиза соломы / Р.М.Нуртдинов и др. // Сб. тез. докл. Х1 межд. конф. молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 13-16 апреля 2010 г.). - Казань: Изд-во «Отечество», 2010. ч.2. - С. 52.

2. Емельянов, В.М. Исследование кинетики процесса ферментолиза соломы/ В.М.Емельянов и др.// Сб. тез. докл. межд. конф. «Катализ для переработки возобновляемого сырья топливо, энергия, химические продукты». - Новосибирск, 2010.

3. Емельянова, И. З. Химико-технологический контроль гидролизных производств / И. З. Емельянова -М.: Лесная промышленность, 1976. - 405 с.

© Р. М. Нуртдинов - асп. каф. химической кибернетики КНИТУ, valrt2008@rambler.ru; Р. Т. Валеева -канд. техн. наук, доцент, программист той же кафедры; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, доц., зав. лаб. «Инженерные проблемы биотехнологии» той же кафедры; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КНИТУ; М. В. Харина - асп., асс. той же кафедры.