Перспективы глубокой переработки бумажного шлама с применением ферментов, микроводорослей и дрожжей. C. 166–177

УДК

663.15

DOI:

10.37482/0536-1036-2024-2-166-177

Аннотация

Представлены сведения о валоризации отходов, которые образуются в процессе производства санитарно-гигиенической бумаги. Оценена возможность биоконверсии полисахаридной части бумажного шлама в простые сахара. Рассмотрены варианты обработки бумажного шлама перед ферментативным гидролизом для достижения максимального выхода моносахаридов. Выявлено, что предобработка кислотами является ключевой стадией перед биокаталитическим расщеплением полисахаридов отхода. Дополнительный выход продуктов ферментативного гидролиза после предобработки кислотами был получен за счет предварительной экстракции бумажного шлама спиртом или ацетоном. Установлено, что наиболее интенсивно ферментативный гидролиз легкодоступных фракций бумажного шлама проходит за первые 10–12 ч. Далее процесс замедляется, вероятно, ввиду действия оставшихся компонентов наполнителей, а также увеличения доли трудногидролизуемой полисахаридной части. Во всех вариантах доля абсолютно сухого непрогидролизованного остатка составила около 43±2 % от сухого вещества бумажного шлама. Основными продуктами ферментативного гидролиза были глюкоза и ксилоза. Полученные сахара использованы для миксотрофного культивирования водорослей Tetradesmus obliquus и Chlorella vulgaris. Среда, приготовленная на гидролизате бумажного шлама, обеспечивала максимальный выход биомассы микроводорослей. Подобраны штаммы дрожжей для конверсии моносахаридов из бумажного шлама. В серии экспериментов по нестерильному выращиванию дрожжей наиболее продуктивными (в пределах 2,10±0,14 г воздушно-сухой массы дрожжей/дм3 за 24 ч) оказались культуры Candida utilis PAL D и Debaryomyces hansenii SWING R. Степень конверсии сахаров гидролизата составила 70±2 %. Бо́льшая часть из оставшихся (около 80 %) сахаров представлена ксилозой. Полная утилизация сахаров происходила на 2-е сутки при добавлении в среду дополнительного источника азота. С другой стороны, отработанная питательная среда после отделения дрожжей была пригодна для миксотрофного культивирования микроводорослей. Выявлено, что экономические затраты на предварительную обработку бумажного шлама азотной кислотой можно нивелировать, применив полученные соли в качестве источника азота для культивирования дрожжей. При этом выход биомассы дрожжей увеличивается почти в 2 раза.

Сведения об авторах

Д.В. Тарабукин*, канд. биол. наук; ResearcherID: P-9578-2015, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8572-4902
Е.Н. Патова, канд. биол. наук; ResearcherID: O-1154-2015, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9418-1601
И.В. Новаковская, канд. биол. наук; ResearcherID: P-9590-2015, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5056-9965
Институт биологии Коми научного центра УрО РАН, ул. Коммунистическая, д. 28, г. Сыктывкар, Россия, 167982; dim1822@yandex.ru*, patova@ib.komisc.ru, novakovskaya@ib.komisc.ru

Ключевые слова

ферментативный гидролиз, глубокая переработка отходов, микробная конверсия, микроводоросли, дрожжи, отходы бумажного производства, бумажный шлам

Для цитирования

Тарабукин Д.В., Патова Е.Н., Новаковская И.В. Перспективы глубокой переработки бумажного шлама с применением ферментов, микроводорослей и дрожжей // Изв. вузов. Лесн. журн. 2024. № 2. С. 166–177. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-2-166-177

Литература

1. Болотова К.С., Травина О.В., Аксенов А.С., Емельянова М.В., Рудакова В.А., Канарский А.В. Биоконверсия целлюлозосодержащих материалов в условиях Арктического региона // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 4. С. 179–186. https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.4.179

2. Голязимова О.В., Политов А.А., Ломовский О.И. Механическая активация ферментативного гидролиза лигноцеллюлозы // Химия растит. сырья. 2009. № 2. C. 59–63. 

3. Полыгалина Г.В., Чередниченко В.С., Римарева Л.В. Определение активности ферментов: справочник. М.: ДеЛи принт, 2003. 375 с. 

4. Aarti C., Khusro A., Agastian P. Saccharification of Alkali Pre-Treated Aquatic Weeds Biomass Using Partially Purified Cellulase Immobilized on Different Matrices. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 2022, vol. 39, art. no. 102283. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2022.102283

5. Aghmashhadi O.Y., Asadpour G., Garmaroody E.R., Zabihzadeh M., Rocha-Meneses L., Kikas T. The Effect of Deinking Process on Bioethanol Production from Waste Banknote Paper. Processes, 2020, vol. 8, iss. 12, art. no. 1563. https://doi.org/10.3390/pr8121563

6. Algal Culturing Techniques. Ed. by R.A. Andersen. Burlington, San Diego, London, Elsevier Academic Press, 2005. 578 p.

7. Arthur W., Diedericks D., Coetzee G., Rensburg Van E., Görgens J.F. Kinetic Modelling of Cellulase Recycling in Paper Sludge to Ethanol Fermentation. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021, vol. 9, iss. 5, art. no. 105981. http://dx.doi.org/10.1016/j.jece.2021.105981

8. Campano C., Miranda R., Merayo N., Negro C., Blanco A. Direct Production of Cellulose Nanocrystals from Old Newspapers and Recycled Newsprint. Carbohydrate Polymers, 2017, vol. 173, pp. 489–496. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.05.073

9. Cooper M.B., Smith A.G. Exploring Mutualistic Interactions between Microalgae and Bacteria in the Omics Age. Current Opinion in Plant Biology, 2015, vol. 26, pp. 147–153. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2015.07.003

10. Fidio Di N., Dragoni F., Antonetti C., Bari De I., Raspolli Galletti A.M., Ragaglini G. From Paper Mill Waste to Single Cell Oil: Enzymatic Hydrolysis to Sugars and Their Fermentation into Microbial Oil by the Yeast Lipomyces starkeyi. Bioresource Technology, 2020, vol. 315, art. no. 123790. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123790

11. Karnaouri A., Chalima A., Kalogiannis K.G., Varamogianni-Mamatsi D., Lappas A., Topakas E. Utilization of Lignocellulosic Biomass towards the Production of Omega-3 Fatty Acids by the Heterotrophic Marine Microalga Crypthecodinium cohnii. Bioresource Technology, 2020, vol. 303, art. no. 122899. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122899

12. Kim J.K., Yang J., Park S.Y., Yu J.-H., Kim K.H. Cellulase Recycling in HighSolids Enzymatic Hydrolysis of Pretreated Empty Fruit Bunches. Biotechnology for Biofuels, 2019, vol. 12, art. no. 138. https://doi.org/10.1186/s13068-019-1476-x

13. Kojima Y., Yoon S.-L. Improved Enzymatic Hydrolysis of Waste Paper by Ozone Pretreatment. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2008, vol. 10, pp. 134–139. https://doi.org/10.1007/s10163-007-0198-5

14. Min B.C., Bhayani B.V., Jampana V.S., Ramarao B.V. Enhancement of the Enzymatic Hydrolysis of Fines from Recycled Paper Mill Waste Rejects. Bioresources and Bioprocessing, 2015, vol. 2, art. no. 40. http://dx.doi.org/10.1186/s40643-015-0068-2

15. Min B.C., Ramarao B.V. Mechanisms of the Inhibition of Enzymatic Hydrolysis of Waste Pulp Fibers by Calcium Carbonate and the Influence of Nonionic Surfactant for Mitigation. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2017, vol. 40, pp. 799–806. https://doi.org/10.1007/s00449-017-1745-7

16. Naicker J.E., Govinden R., Lekha P., Sithole B. Transformation of Pulp and Paper Mill Sludge (PPMS) into a Glucose-Rich Hydrolysate Using Green Chemistry: Assessing Pretreatment Methods for Enhanced Hydrolysis. Journal of Environmental Management, 2020, vol. 270, art. no. 110914. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110914

17. Pandey A., Gupta A., Sunny A., Kumar S., Srivastava S. Multi-Objective Optimization of Media Components for Improved Algae Biomass, Fatty Acid and Starch Biosynthesis from Scenedesmus sp. ASK22 Using Desirability Function Approach. Renewable Energy, 2020, vol. 150, pp. 476–486. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.12.095

18. Rodrigues Reis C.E., Libardi Junior N., Bento H.B.S, Carvalho de A.K.F., Souza Vandenberghe de L.P., Soccol C.R., Aminabhavi T.M., Chandel A.K. Process Strategies to Reduce Cellulase Enzyme Loading for Renewable Sugar Production in Biorefineries. Chemical Engineering Journal, 2023, vol. 451, part 2, art. no. 138690. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138690

19. Tian-Yuan Z., Yin-Hu W., Jing-Han W., Xiao-Xiong W., Deantes-Espinosa V.M., Guo-Hua D., Xin T., Hong-Ying H. Heterotrophic Cultivation of Microalgae in Straw Lignocellulose Hydrolysate for Production of High-Value Biomass Rich in Polyunsaturated Fatty Acids (PUFA). Chemical Engineering Journal, 2019, vol. 367, pp. 37–44. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2019.02.049

20. Wang X., Song A., Li L., Li X., Zhang R., Bao J. Effect of Calcium Carbonate in Waste Office Paper on Enzymatic Hydrolysis Efficiency and Enhancement Procedures. Korean Journal of Chemical Engineering, 2011, vol. 28, pp. 550–556. http://dx.doi.org/10.1007/s11814-010-0365-6