Биоконверсия растительных отходов как инструмент регулирования техноэкосистемы целлюлозно-бумажной промышленности Северо-Западного региона

Abstract

Translate Article

Исследованы перспективы внедрения циркулярной экономической модели для оптимизации техноэкосистем целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) Северо-Запада РФ. Рассмотрен потенциал биорефайнинга отходов ЦБП (сульфитные щелока и гидролизаты лигноцеллюлозы) в биоэтанол. Представлен сравнительный анализ эффективности спиртовой ферментации D-ксилозы, основного пятиатомного сахара отходов ЦБП, различными видами ксилозоассимилирующих дрожжей из отечественных коллекций промышленных микроорганизмов. Лучшие скорость и эффективность образования спирта отмечены для C. shehatae Y-1632 (0.83 г/л×ч и 0.40 г/г потребленной D-ксилозы), P. stipitis Y-1483 (0.76 г/л×ч и 0.39 г/г), а также P tannophilus Y-1533 (0.65 г/л×ч и 0.27 г/г). Изучены особенности ксилозоредуктазы (XR) и ксилитдегидрогеназы (XD), ключевых ферментов катаболизма D-ксилозы, которые оказывают влияние на уровень продукции биоэтанола. XR спиртообразующих дрожжей имела двойную НАДФH/НАДH-коферментную специфичность, тогда как XD характеризовалась высоким сродством к НАД+. Наибольшая активность XR выявлена для P. stipitis Y-2160 (15.21 мкМоль/мг×мин). Наибольшей активностью XD обладали C. shehatae Y-1632 (13.95 мкМоль/мг×мин). Установлены предельно допустимые для спиртообразующей активности C. shehatae Y-1632 и P. tannophilus Y-1533 концентрации спирта в среде: 45.5 г/л и 46 г/л соответственно. Продемонстрирована большая устойчивость P. tannophilus Y-1533 к токсическим примесям отходов ЦБП: фурфуролу (Ф), оксиметилфурфуролу (ОФ), летучим органическим кислотам (ЛОК) и веществам лигнофуранового комплекса (ВЛК). Предельно допустимые концентрации ингибиторов для роста этих дрожжей составили (г/л): 0.1 (Ф); 0.27 (ОФ), 0.50 (ЛОК) и 1.74 (ВЛК). Впервые обсуждается биотехнологический потенциал дрожжей Pachysolen tannophilus Y-1533 для оптимизации техноэкосистем ЦБП региона присутствия. The prospects of introducing a circular economic model for optimizing the techno-ecosystems of the pulp and paper industry (PPI) in the North-West of the Russian Federation are investigated. The potential of biorefining PPI waste (sulfite liquor and lignocellulose hydrolysates) into bioethanol is considered. A comparative analysis of the effectiveness of alcoholic fermentation of D-xylose, the main pentatomic sugar of PPI waste, and various types of xylose-assimilating yeast from domestic collections of industrial microorganisms is presented. The best rate and efficiency of alcohol formation were noted for C. shehatae Y-1632 (0.83 g/l×h and 0.40 g/g of consumed D-xylose), P. stipitis Y-1483 (0.76 g/l×h and 0.39 g/g), and P. tannophilus Y-1533 (0.65 g/l×h and 0.27 g/g). The features of xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XD), key enzymes of D-xylose catabolism, which affect the level of bioethanol production, have been studied. The XR of alcohol-forming yeast had a double NADPH/NADH had coenzyme specificity, whereas XD was characterized by high affinity for NAD+. The highest XR activity was detected for P. stipitis Y-2160 (15.21 mmol/mg×min). C. shehatae Y-1632 (13.95 mmol/mg×min) had the highest XD activity. The maximum permissible values for alcohol-forming activity have been established. C. shehatae Y-1632 and P. tannophilus Y-1533 alcohol concentrations in the medium: 45.5 g/l and 46 g/l, respectively. P. tannophilus Y-1533 has been shown to be highly resistant to toxic impurities from PPI waste: furfural (F), oxymethylfurfural (OF), volatile organic acids (VOA), and substances of the lignofuran complex (SLC). The maximum permissible concentrations of inhibitors for the growth of these yeasts were (g/l): 0.1 (F); 0.27 (OF), 0.50 (VOA) and 1.74 (SLC). For the first time, the biotechnological potential of Pachysolen tannophilus Y-1533 yeast for optimizing the techno- ecosystems of the PPI region of presence is discussed.