Wiley жаңартылатын энергия

 
 
67 
4.2.2.1 Қышқыл гидролиз 
    Күкірт қышқылы, тұз қышқылы, тұз қышқылы және азот қышқылы сияқты минералды қышқылдар 
лигноцеллюлоза  биомассасының  гидролизі  үшін  кеңінен  қолданылады.  Бұл  лигноцеллюлоза 
биомассасын  қанттандыру  ретіндегі  ең  ескі  әдістердің  бірі.  Ең  ескі  және  ең  зерттелген  процесс 
ретінде  күкірт  қышқылы  қолданылады.  Гидролиз  процесі  күкірт  қышқылы  негізіндегі  екі  түрлі 
жағдайда  жүзеге  асырылады;  (1)  төмен  температурада  концентрацияланған  қышқыл  қолданылатын 
процесс  ,  және  (2)  жоғары  температурада  сұйылтылған  қышқыл  қолданылатын  процесс. 
Лигноцеллюлоза биомассасын ксилоза, арабиноза, глюкоза және сірке қышқылының пайда болуымен 
1-1,4-целлюлоза  және  гемицеллюлоза  компоненттерінің  байланысы  арқылы  күкірт  қышқылымен 
гидролиздеуге  болады.  Кейбір  зерттеушілер  ауыл  шаруашылығы  қалдықтарының  гидролизі  үшін 
түрлі  концентрациялар  мен  температурада  азот  қышқылы  мен  фосфор  қышқылын  пайдаланды  [78, 
79].  Лигноцеллюлоза  биомассасының  гидролизін  қышқылмен  қолдану  кезінде    фурфурол, 
гидроксилметилфурфурол, сірке қышқылы, құмырсқа қышқылы, левулин қышқылы және т. б. әртүрлі 
уытты  қосылыстардың  пайда  болуынан  оның  бірқатар  кемшіліктері  бар.  Бұл  қосылыстар  күшті 
тежегіштер  болып  табылады  және  ферментация  процесіне  теріс  әсер  етеді.  Бұл  қосылыстарды 
ферментациялау  процесінің  алдында  жою  қажет,  бұл  өндірістік  шығындарды  арттырады.  Бұл 
мәселені  шешу  үшін  әк  пайдаланылады,  ол    осы  қышқылдарды  бейтараптандырады,  бірақ  оның 
кемшіліктері  бар.  Әкті  өңдеу  гипсте  қанттың  айтарлықтай  жоғалуына  әкеледі.  Алайда,  мұндай 
процестер  қоршаған  орта  үшін  үнемді  және  қауіпсіз  ферментативті  гидролиз  процесімен 
алмастырылуы мүмкін. 
 
4.2.2.2 Ферментті гидролиз 
 
Лигноцеллюлоза  биомассасының  ферменттер  арқылы  гидролизі  тиімді  әдіс  болып  табылады. 
Ферменттер  олар  катализдейтін  реакциялар  үшін  өте  ерекше  және  қышқылмен  сұйылтылған 
гидролиз  кезінде  пайда  болатын  уытты  заттарды  құрмайды    [9,  80,  81].  Ферменттердің  қосымша 
артықшылығы-олар  табиғатта  кездесетін  қосылыстар  болып  табылады,  олар  өз  кезегінде 
биологиялық  ыдырайды.  Биоэтанол  өндіру  үшін  ферментативті  технология  кеңінен  қолданылады, 
бұл  құнын  айтарлықтай  төмендетеді.  Осылайша,  лигноцеллюлоза  биомассасының  ферментативті 
гидролизі  арқылы  этанолдың  кең  ауқымды  өндірісі  қазіргі  уақытта  экономикалық  тиімді  болып 
көрінеді.  Целлюлаза  ретінде  белгілі  ферменттер  этанолға  ферментациялау  үшін  целлюлозаның 
ыдырауын  глюкозаға  дейін  катализациялайды.  Целлюлаза  глюкозалық  байланысты 

-1–4    
целлюлозада  гидролиздейді  және  ол  глюкозаның  және    қысқа  целлодекстриндердің  пайда  болуына 
әкеледі.  Целлюлоза    целлюлоза    гидролизіне  қатысатын  үш  негізгі  ферменттен  тұратын  топты 
білдіреді, 
атап 
айтқанда 
1,4-

-D-глюканцеллобиогидролаз 
(EC 
3.2.1.91), 
1,4-glu-
D глюканогидролазы (EC  3.2.1.3)  және 

-D глюкозидазы (EC  3.2.1.21).  Бұл  ферменттер  әдетте 
экзоглюканаз,  эндоглюканаз  және  целлюлобиаз  деп  аталады  және  синергетикалық  түрде  тиімді 
жұмыс  істейді.  Кристалды  целлюлозаның  ыдырауы  негізінен  экзоглюканаздармен  жүзеге 
асырылады,олар  1,4-гликозидті  байланысты  шынжырды  сонынан  ажыратады.  Бұл  ферментте 
туннельді  тұйық  белсенді  учаске  бар,  ол глюканның  жалғыз  тізбегін  ұстап  тұрады және  целлюлоза 
кристалына  қайта  жабысуын  болдырмайды  [82,  83].  Эндоглюканазалар  тек 

-1,4-гликозидті 
байланыстардың  ішінде  ғана  ыдырайды  және  жарықшақтар  түрінде  ашық  белсенді  учаскелері  бар. 
Эндоглюканаза әдетте целлюлоза кристалының еритін аморфты аймағында белсенді. Экзоглюканаза 
мен  эндоглюканаза  арасында  синергияның  жоғары  дәрежесі  бар  және  бұл  синергия  целлюлоза 
кристалдарының  тиімді  гидролизі  үшін  қажет.  Экзоглюканаз  және  целлобиогидролаздың  өнімдері 
целлобиоз және целлодекстрандар болып табылады, олар олардың белсенділігін тежейді. Осылайша, 
тиімді  целлюлоза  гидролизі  үшін  глюкозаны  өндіретін  соңғы  гликозидті  байланыстарды  ыдырату 
үшін  β-глюкозидазаның  болуы  талап  етіледі.  Осылайша,  β-глюкозидазалар  лигноцеллюлозаны 
ыдырататын ферментативтік жүйенің тиімділігінде басты рөл атқарады. Бастапқы шикізатты жоғары 
жүктеуге  бағытталған  биомассаны  өнеркәсіптік  конверсиялау  үшін 

-глюкозидазды  кәдімгі 
микробты  целлюлолитикалық  ферментті  препараттарға  қосу  ферментативті  конверсия  кезінде 
целлобиозаның  жоғары  деңгейіне  байланысты  міндетті  болуы  мүмкін.  Бірнеше  зерттеуші 
бактериялар  мен  саңырауқұлақтарда  целлюлаздың  бар  екендігі  туралы  хабарлады.  Clostridium, 
Cellulomonas,  Bacillus,  Thermomonospora,  Ruminoccus  және  Streptomyces  тұқымына  жататын 
бактериялар  целлюлазды  өндіретіні  белгілі.  Trichoderma  ressei  глюканазаны  өндіру  үшін  ең 

 
 
68 
коммерциялық  саңырауқұлақ
 
ретінде  белгілі.  Осы  мәліметтерге  сәйкес,  Aspergillus,  Schizophyllum 
және Penicillium руының түрлері де целлюлоза өндіру үшін қолданылады [84–87].  Жақында кейбір 
аталған  микроорганизмдер  экстремалды  жағдайларда  (жоғары  температурада,  рН  және  тұз 
концентрациясы  кезінде)  жоғары  целлюлаздық  белсенділікті  көрсетті.  Бұл  ферменттер  еритін  және 
микрокристалды  заттардың  гидролизінде  өнеркәсіптік  пайдалану  әлеуетіне  ие.  Paenibacillus 
campinasensis  BL11  жаңа  микроогранизмі  қара  сілті  арқылы  целлюлозаны  крафт-  пісіру  кезінде 
целлюлазаны  бөліп  шығарды.  Бұл  термофильді,  дау  құраушы  бактерия,  анықталғандай,  60  °  C  кең 
ауқымда  pH  өседі  және    сахаридтерді  ыдырататын  көптеген  жасушадан  тыс  ферменттерді  және 
ксиланазаны,  екі  целлюлазаны,  пектиназаны  және  циклодекстрин-глюканотрансферазаны  олармен 
қоса  шығарады.  Жақында  термостабильды  целлюлаза  ыстық  көзден  табылған  Bacillus  subtilis  DR 
бактериясынан  алынды.  Бұл  штамм  оның  шекті  ыстыққа  төзімділігіне  байланысты  биоөңдеу 
өнеркәсібі  үшін  әлеуетті  бағалы  термостабильды  фермент  болып  табылады  [88].  Жақында 
Brevibacillus sp жаңа термофильді, целлюлолитикалық бактериясы пайда болды. JXL штаммы шошқа 
қалдықтарынан  бөлінді.  Кристалды  целлюлоза,  КМЦ,  ксилан,  целлобиоза,  глюкоза  және  ксилоза 
сияқты  субстраттардың  кең  спектрі  пайдаланылатыны  анықталды  [89].  Сонымен  қатар,  Bacillus 
agaradhaerens  JAM-KU023  тұзға  төзімді  бактериясы    бөлінді  және  ол    оңтайлы  термотөзімділікті 
көрсетті  [90].  Термофилдерді  өсіру  бірнеше  артықшылық  береді,  ластану  қаупін  төмендетеді, 
тұтқырлықты  төмендетеді,  араластыруды  жеңілдетеді  және  субстраттың  ерігіштігінің  жоғары 
дәрежесіне  әкеледі.  Көптеген  анаэробты  микроорганизмдер  биомассаны  целлюлоза  деп  аталатын 
ортада  ыдырататын  мультиферментті  кешендерді  бөледі.  Олар    белокты  қаңқалардың  өзіндік  өзара 
әрекеттесулері арқылы жиналған целлюлозды және гемицеллюлозды ферменттерден тұрады, олар өз 
кезегінде  барлық  кешенді  біріктірудің  спецификалық  емес  байланыс  модулі    және  көмірсулардың 
ілінісу  көмегімен  (целлюлолитикалық  және  гемицеллюлозды  ферменттердің  кең  спектрін 
байланыстыруға  мүмкіндік береді)  кристалды целлюлозамен байланыстыруға  мүмкіндік береді. 
Лигноцеллюлозаны  ыдырататын  көптеген  ферменттердің  бұл  кеңістіктік  кластерлеу 
лигноцеллюлозды  биомассаны  ыдырату  үшін  өзара  әрекеттесудің  күшеюіне  алып  келеді  [91–93]. 
Целлюлозома  алғаш  рет  1983  жылы  анаэробты  термофильді  дау  құрайтын  Clostridium 
thermocellumмен  сәйкестендірілді  [68].  Бұл  ферментті  кешен  кристалды  целлюлозаның  өте  жоғары 
белсенділігіне ие және целлюлозаны толығымен ерітуі мүмкін. Мысалы, Cellulomonas flavigena -дан 
бифункционалды  эндоглюканаза  /  эндоксиланаза  бөлініп,  оны  биоотын  өндірісінің  өнеркәсіптік 
процестерінде  пайдалануға  мүмкіндік  берді.  Бұл  ферменттің  целлюлазды  және  ксиланазды 
белсенділігі  бар  екені  анықталды.  Сондай-ақ,  көпфункционалды  фермент  Terendinibacter  turnerae 
T7902  өндіріледі.  Целлюлозаның  тиімді  гидролизіне  әкелетін  ерекше  целлюлоза  сипаттамаларын 
өндіретін  микроорганизмдер  үшін  бірнеше  басқа  да  артықшылықтар  бар.  Целлюлозоманың 
арқасында өнімдер ерітіндінің көлемінде араластырылатын бос ферменттердің көп мөлшерін үздіксіз 
өндіретін  микроорганизмдерге  энергияның  ысырап  шығындары  жойылады.  Зерттеушілер 
микрокристалды  целлюлозаның  тиімді  гидролизі  үшін  целлюлозаның  құндылығын  мойындайды 
және  өнеркәсіптегі  рекомбинантты  экспрессия  үшін  целлюлозаны  әзірлеуге  арналған  зерттеулерге 
көңіл бөле бастады. Рекомбинантты целлюлозомалар басқа өнеркәсіптік пайдалы организмдерге (S. 
Cerevisiae  сияқты)  трансплантациялануы  мүмкін  [95,  96]  және  B.  subtilis  [97].  Целлюлозоманың 
кластерлік  белсенділікке  қабілеттілігі  субстратты  өзара  күшейтілетін  ыдырауына,  сондай-ақ 
биомассаның нақты компоненттерін мақсатты түрде бұзуда бірегей мүмкіндіктер бере алады. 
 

жүктеу/скачать 4,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: